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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Expander ausgestattet ist, welcher aus einem Abgas von einer Brennstoffzelle Energie zurückgewinnt.
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Stand der Technik
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Zuvor wurde in einem Brennstoffzellensystem eine Struktur verwendet, bei welcher ein Befeuchter zwischen einem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad und einem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, der Luft (ein oxidierendes Gas), welches von dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, unter Verwendung von Feuchtigkeit aus einem Abgas befeuchtet, welches von der Brennstoffzelle zu dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad ausgestoßen wird (vergleiche zum Beispiel
japanische Patent-Offenlegungsschrift Nummer 2005-158354 ).
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Zusammenfassung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende Aufgaben
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Bei dem in der oben bezeichneten
japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nummer 2005-158354 offenbarten Brennstoffzellensystem sind ein Bypass-Weg zum Umgehen eines Befeuchters und ein Strömungs-Steuer-/Regelventil zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Bypass-Wegs auf der Seite des Oxidationsmittel-Zufuhrpfades oder des Oxidationsmittel-Ausstoßpfades vorgesehen, und das Ausmaß, in welchem die Luft befeuchtet wird, welche von dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad der Brennstoffzelle zugeführt wird, wird entsprechend der von der Brennstoffzelle erzeugten Elektrizität gesteuert/geregelt, indem die Strömungsrate von Gas verändert wird, welches zu der Bypass-Weg-Seite strömt.
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Andererseits wurde bei dem Brennstoffzellensystem eine Konfiguration vorgeschlagen, einen Expander konzentrisch zu einem Kompressor auf der Seite des Oxidationsmittel-Zufuhrpfades vorzusehen, der durch das Abgas angetrieben wird, welches von der Brennstoffzelle zu dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad ausgestoßen wird. Bei dem Brennstoffzellensystem, das mit dem Befeuchter ausgestattet ist, wie in der
japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nummer 2005-158354 offenbart ist, ist es denkbar, die Energie des Abgases effektiv zu verwenden, indem der Expander vorgesehen wird.
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Daher zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches dazu in der Lage ist, ein Befeuchten durch einen Befeuchter mit einem Abgas und eine Energie-Rückgewinnung durch einen Expander aus dem Abgas ins Gleichgewicht zu bringen und dasselbe effektiv durchzuführen.
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Mittel zum Lösen der Aufgaben
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Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um die oben bezeichnete Aufgabe zu lösen, und bezieht sich auf eine Verbesserung eines Brennstoffzellensystems, welches umfasst: eine Brennstoffzelle, einen Oxidationsmittel-Zufuhrpfad, der mit Kathoden-Elektroden der Brennstoffzelle verbunden ist, und der ein oxidierendes Gas an die Kathoden-Elektroden liefert, einen Oxidationsmittel-Ausstoßpfad, der mit den Kathoden-Elektroden der Brennstoffzelle verbunden ist, und zu welchem ein Abgas von den Kathoden-Elektroden ausgestoßen wird, einen Befeuchter, der mit einer Strömungsmitte von dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad und dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad verbunden ist, wobei eine Verbindung zwischen den beiden herstellt, und welcher das oxidierende Gas mit Feuchtigkeit aus dem Abgas befeuchtet, und einen Kompressor, welcher das oxidierende Gas an den Oxidationsmittel-Zufuhrpfad liefert.
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Und das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: einen Expander, der durch das Abgas angetrieben wird, welches von dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad ausgestoßen wird, und der Antriebskraft an den Kompressor überträgt, einen Bypass-Weg in dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad, welcher den Befeuchter umgeht, ein Bypass-Verhältnis-Veränderungselement, welches ein Bypass-Verhältnis verändert, welches ein Verhältnis einer Größe einer Strömungsrate des Abgases ist, welches in dem Bypass-Weg fließt, in Bezug auf eine Strömungsrate des Abgases, welches von den Kathoden-Elektroden zu dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad hin ausgestoßen wird, ein Brennstoffzellen-Ausgabeparameter-Erfassungselement, welches einen Brennstoffzellen-Ausgabeparameter erfasst, der sich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle verändert, und ein Bypass-Steuer-/Regelelement, welches das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement gemäß dem erfassten Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters verändert (ein erster Aspekt der Erfindung).
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wird es möglich, das Brennstoffzellensystem zu betreiben, während der Grad der Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter und die durch den Expander rückgewonnene Menge von Energie aus dem Abgas effektiv ins Gleichgewicht gebracht werden, in dem das Bypass-Verhältnis entsprechend der Ausgabe der Brennstoffzelle verändert wird, die durch den erfassten Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters angegeben wird.
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Bei dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Bypass-Steuer-/Regelelement dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Fall, in welchem ein erfasster Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters zeigt, dass die Ausgabe der Brennstoffzelle innerhalb eines Ausgabebereiches von einem vorbestimmten unteren Grenzwert zu einem oberen Grenzwert liegt, das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement auf einen konstanten Wert einstellt, welcher Null übersteigt (ein zweiter Aspekt der Erfindung).
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird es möglich, auf einfache Weise den Grad der Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter und die Energie-Rückgewinnungsrate aus dem Abgas durch den Expander auf ein bestimmtes Niveau oder mehr festzulegen, indem das Abgas zu dem Bypass-Weg fließt, indem das Bypass-Verhältnis konstant gemacht wird, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle innerhalb des Ausgabebereichs liegt.
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Weiter ist bei dem ersten Aspekt der Erfindung das Bypass-Steuer-/Regelelement dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Fall, in welchem der erfasste Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters zeigt, dass die Ausgabe der Brennstoffzelle innerhalb eines Ausgabebereiches von einem vorbestimmten unteren Grenzwert zu einem oberen Grenzwert liegt, das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement so einstellt, dass es kleiner wird, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle, die durch einen erfassten Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters erkannt wird, größer wird (ein dritter Aspekt der Erfindung).
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Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement verringert, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle zunimmt, wenn die Ausgabe der Brennstoffzelle innerhalb des niedrigen bis mittleren Ausgabebereichs liegt. indem dies getan wird, wird es möglich, die Verringerung einer Energie-Rückgewinnungsmenge aus dem Abgas durch den Expander zu unterdrücken, mit der Zunahme in der Strömungsrate des Abgases, welche die Zunahme in einer Ausgabe der Brennstoffzelle begleitet, während die Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter auf ein Niveau gebracht wird, welches der Elektrizitäts-Erzeugungsmenge der Brennstoffzelle entspricht.
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Weiter ist bei dem zweiten Aspekt der Erfindung oder dem dritten Aspekt der Erfindung das Bypass-Steuer-/Regelelement dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Fall, in welchem der erfasste Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters zeigt, dass die Ausgabe der Brennstoffzelle geringer ist als der untere Grenzwert, das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement auf einen ersten vorbestimmten Wert oder kleiner einstellt (ein vierter Aspekt der Erfindung).
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Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung, wird die Energie, die aus dem Abgas bei dem Expander zurückgewonnen wird in dem Fall klein, in welchem die Ausgabe der Brennstoffzelle kleiner oder gleich dem unteren Grenzwert ist, wenn die Strömungsrate des Abgases klein ist, so dass der aus der Energierückgewinnung erzielte Nutzen abnimmt. Daher wird es in solch einem Fall möglich, ein Gleichgewicht zwischen der Energie-Rückgewinnung durch den Expander und der Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter bei einem angemessenen Gleichgewicht zu erreichen, wobei der Befeuchtung des oxidierendes Gases durch den Befeuchter Vorrang gegeben wird, indem die Strömungsrate des Abgases auf dem Bypass-Weg sehr klein gemacht wird, indem das Bypass-Verhältnis so eingestellt wird, dass es gleich dem oder kleiner als der erste vorbestimmte Wert ist.
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Weiter ist bei irgend einem von dem zweiten Aspekt der Erfindung bis zu dem vierten Aspekt der Erfindung das Bypass-Steuer-/Regelelement dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Fall, in welchem der erfasste Wert des Brennstoffzellen-Ausgabeparameters zeigt, dass die Ausgabe der Brennstoffzelle den oberen Grenzwert übersteigt, das Bypass-Verhältnis mit dem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement auf einen zweiten vorbestimmten Wert oder kleiner eingestellt wird (ein fünfter Aspekt der Erfindung).
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Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ist es möglich, genügend Energie an dem Expander zurückzugewinnen, sogar aus dem Abgas, welches durch den Befeuchter strömt, in dem Fall, in welchem die Ausgabe der Brennstoffzelle größer oder gleich dem oberen Grenzwert ist, wenn die Strömungsrate des Abgases groß ist. Daher wird es in solch einem Fall möglich, ein Gleichgewicht zwischen der Energierückgewinnung durch den Expander und der Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter bei einem geeigneten Gleichgewicht zu erreichen, welches der Befeuchtung des oxidierenden Gases durch den Befeuchter den Vorrang gibt, indem die Strömungsrate des Abgases auf dem Bypass-Weg klein gemacht wird, indem das Bypass-Verhältnis so eingestellt wird, dass es kleiner oder gleich dem zweiten vorbestimmten Wert ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist eine Ansicht, welche eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung zeigt,
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2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, um ein Bypass-Verhältnis entsprechend einer Ausgabe der Brennstoffzelle einzustellen, und
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3 ist eine erklärende Ansicht zur Verbesserung einer Energierückgewinnungsrate, indem ein Abgas zu einem Expander zugeführt wird, wobei ein Befeuchter umgangen wird.
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Ausführungsform der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 erklärt werden. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem des vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug angebracht, und ist mit einem Stapel von Brennstoffzellen 10 ausgestattet, mit einem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad 11, der mit Kathoden-Elektroden (Luft-Elektroden) des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, und der Luft (oxidierendes Gas) dorthin liefert, mit einem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12, der mit den Kathoden-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, und zu dem nach einer Reaktion ein Abgas ausgestoßen wird, mit einem Brennstoff-Zufuhrpfad 13, der mit Anoden-Elektroden von dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, und welcher Wasserstoff (Brenngas) dorthin liefert, mit einer Ausstoß-Vorrichtung 50, welche Wasserstoff aus einem (nicht gezeigten) Wasserstoffgastank zu dem Brennstoff-Zufuhrpfad 13 liefert, und mit einem Brenngas-Ausstoßpfad 14, der mit den Anoden-Elektroden von dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, und welcher restlichen Wasserstoff zu dem Brennstoff-Zufuhrpfad 13 zurückführt.
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Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem mit einem Motor 41 ausgestattet, welcher einen Kompressor 40 antreibt, um dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad 11 Luft zuzuführen, mit einem Expander 42, der mit dem Motor 41 koaxial zu den Kompressor 40 verbunden ist, und der eine (nicht gezeigte) Turbine aufweist, welche dadurch rotiert, dass das Abgas durch den Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 strömt, mit einem Befeuchter 30, der mit einer Strömungsmitte von dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad 11 und dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 verbunden ist, während er eine Verbindung zwischen den beiden herstellt, mit einem Bypass-Weg 20, welcher mit dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad an einer stromaufwärtigen und an einer stromabwärtigen Seite des Befeuchters 30 verbunden ist, während er den Befeuchter 30 umgeht, mit einem Strömungs-Steuer-/Regelventil 21, welches einen Öffnungsgrad des Bypass-Wegs 20 verändert (entspricht einem Bypass-Verhältnis-Veränderungselement der vorliegenden Erfindung), mit einem Spannungssensor 15, der eine Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst, und mit einem Stromsensor 16, welcher den Ausgabestrom des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst.
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Der Befeuchter 30 ist mit einer Struktur ausgestattet um beispielsweise nur Feuchtigkeit aus einem Fluid in einer Hohlfasermembran oder einer flachen Membran und dergleichen zu transportieren, und befeuchtet die durch den Oxidationsmittel-Zufuhrpfad 11 strömende Luft unter Verwendung der Feuchtigkeit in dem Abgas, welches in dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 strömt. Die Turbine des Expanders 42 wird durch das in dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 strömende Abgas gedreht und gewinnt Energie aus dem Abgas zurück, indem sie die Antriebskraft vermittels einer Antriebswelle des Motors 41 an den Kompressor 40 überträgt.
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Weiterhin ist das Brennstoffzellensystem mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 60 ausgestattet, welche einen Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems steuert/regelt, und Spannungserfassungssignale des Spannungssensors 15 und Stromerfassungssignale des Stromsensors 16 werden in die Steuer-/Regeleinrichtung 60 eingegeben. Weiterhin werden der Betrieb des Strömungs-Steuer-/Regelventils 21 und des Motors 41 durch Steuer-/Regelsignale gesteuert/geregelt, die von der Steuer-/Regeleinrichtung 60 ausgegeben werden.
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Die Steuer-/Regeleinrichtung 60 ist eine elektronische Einheit, welche aufgebaut ist aus einer CPU, einem Speicher und dergleichen, und führt die Funktion aus, den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steuern/regeln, indem sie die CPU dazu veranlasst, ein Steuer-/Regelprogramm für das Brennstoffzellensystem auszuführen, welches in dem Speicher gespeichert ist.
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Weiterhin wirkt die Steuer-/Regeleinrichtung 60 als ein Bypass-Steuer-/Regelelement 61, was Teil der Funktion ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu steuern/regeln. Das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 steuert/regelt ein Bypass-Verhältnis BR, welches ein Verhältnis einer Größe einer Strömungsrate Fb des Abgases, welches zu der Seite des Bypass-Weges 20 strömt, in Bezug auf eine Gesamt-Strömungsrate Fa des Abgases ist, welches von den Kathoden-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 10 zu dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 ausgestoßen wird (BR = Fb/Fa), entsprechend der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10.
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Wenn das Bypass-Verhältnis BR größer gemacht wird, und eine Strömungsrate Fc von dem Abgas, welches zu der Seite des Befeuchters 30 strömt, verringert wird, nimmt ein Energieverlust des Abgases durch den Befeuchter 30 (Wärmeabgabe, Druckverlust) ab, so dass der Energierückgewinnungsbetrag aus dem Abgas bei dem Expander 42 erhöht werden kann. Allerdings nimmt das Ausmaß der Befeuchtung durch den Befeuchter 30 ab.
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Andererseits nimmt das Ausmaß der Befeuchtung von Luft durch den Befeuchter 30 zu, wenn das Bypass-Verhältnis BR kleiner gemacht wird, und die Strömungsrate des zu der Seite des Befeuchters 30 fließenden Abgases vergrößert wird. Allerdings nimmt der Energieverlust des Abgases durch den Befeuchter 30 zu, so dass das Ausmaß der Energierückgewinnung aus dem Abgas bei dem Expander 42 abnimmt.
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Weiterhin wird es nötig, um in zufriedenstellender Weise Leistung an dem Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugen, Luft gemäß der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 zu befeuchten, um eine leitende Eigenschaft einer Fest-Elektrolyt-Membran des Brennstoffzellenstapels 10 zu vergrößern. Wenn die Befeuchtung zu groß wird, besteht eine Befürchtung, dass die Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 abnimmt, da die Zufuhr von Luft durch das Wasser, welches in dem Oxidationsmittel-Zufuhrpfad 11 vorhanden ist, blockiert wird.
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Daher führt das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 ein Verfahren durch, effektiv ein Gleichgewicht zwischen einem Ausmaß an Befeuchtung der Luft durch den Befeuchter 30 und der Rückgewinnungsmenge von Energie aus dem Abgas durch den Expander 42 herzustellen, indem das Bypass-Verhältnis BR durch das Strömungs-Steuer-/Regelventil 21 gesteuert/geregelt wird, wobei ein Gleichgewicht zwischen den beiden gemäß der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 10 berücksichtigt wird. Nachfolgend wird das Verfahren gemäß dem in 2 gezeigten Flussdiagramm erklärt.
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Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 einen Energie-Erzeugungsbetrieb durchführt, so führt das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 wiederholt das in 2 gezeigte Flussdiagramm durch, und stellt das Bypass-Verhältnis BR ein. Im Schritt 1 erfasst das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 eine Ausgabespannung Vfc und einen Ausgabestrom Ifc von dem Brennstoffzellenstapel 10 aus dem Spannungserfassungssignal des Spannungssensors 15 und dem Stromerfassungssignal des Stromsensors 16.
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Nachfolgend bestimmt das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 in SCHRITT2, ob die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 (Pfc = Vfc·Ifc) innerhalb eines Ausgabebereiches von einem unteren Grenzwert Pfc_Lo_Imt zu einem oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt liegt, oder nicht (Pfc_Lo_Imt ≤ Pfc ≤ Pfc_Hi_Imt).
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Die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 entspricht einem Brennstoffzellen-Ausgabeparameter der vorliegenden Erfindung. Weiterhin entspricht die Struktur, um die Ausgabespannung Vfc des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Spannungssensor 15 zu erfassen, und um den Ausgabestrom Ifc des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Stromsensor 16 zu erfassen, um die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 zu erfassen, einem Brennstoffzellen-Ausgabeparameter-Erfassungselement der vorliegenden Erfindung.
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Im Schritt 2 geht das Verfahren, in dem Fall, in welchem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 innerhalb des Ausgabebereichs von dem unteren Grenzwert Pfc_Lo_Imt zu dem oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt liegt, weiter zu SCHRITT3, und das Bypass-Steuer-/Regelelement 61 steuert/regelt das Strömungs-Steuer-/Regelventil 21 auf einen Öffnungsgrad, bei welchem das Bypass-Verhältnis BR 0,5 wird. Danach geht das Verfahren weiter zu SCHRITT4.
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Andererseits zweigt in dem Fall, in welchem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 von dem Ausgabebereich von dem unteren Grenzwert Pfc_Lo_Imt zu dem oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt abweicht, zu SCHRITT10 ab, und das Bypass-Steuer-/Regel Element 61 schließt das Strömungs-Steuer-/Regelventil 21, um zu bewirken, dass das Bypass-Verhältnis BR Null wird (entspricht dem ersten vorbestimmten Wert und dem zweiten vorbestimmten Wert der vorliegenden Erfindung). Indem dies getan wird, wird die Strömungsrate des Abgases, welches in dem Bypass-Weg 20 strömt, Null. Danach geht das Verfahren zu SCHRITT4 weiter.
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3 ist ein Graph, welcher eine Verbesserungsrate der Energie-Rückgewinnungsmenge aus dem Abgas an dem Expander 42 zeigt, wenn das Bypass-Verhältnis BR von 0 auf 0,5 geändert wird, wobei die Verbesserungsrate der Energie-Rückgewinnungsmenge als die Ordinaten-Achse und die Ausgabeleistung des Brennstoffzellenstapels 10 als die Abszissen-Achse genommen wird.
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Wie aus 3 hervorgeht, steigt die Verbesserungsrate der Energie-Rückgewinnungsmenge schnell an, nachdem die Ausgabeleistung des Brennstoffzellenstapels 10 P1 übersteigt. Als Grund hierfür wird angenommen, dass, wenn die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 in dem Bereich kleiner oder gleich P1 liegt, die Strömungsrate des Abgases selbst klein ist, so dass die Menge von Energie, die an den Expander 42 geliefert wird, nicht allzu stark ansteigt, sogar wenn ein Teil des Abgases zu der Seite des Bypass-Weges 20 strömt.
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Weiter nimmt die Energie-Rückgewinnungsmenge allmählich ab, wenn die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 P2 übersteigt. Als Grund hierfür wird angenommen, dass, wenn die Strömungsrate des Abgases ansteigt, in Begleitung zu dem Anstieg der Ausgabeleistung Pfc, die Energie des Abgases, die vermittels des Befeuchters 30 zu dem Expander 42 geliefert wird, hoch gehalten wird, sogar wenn etwas Energieverlust an dem Befeuchter 30 vorliegt, so dass die Menge von Energie, die dem Expander 42 zugeführt wird, nicht allzu stark ansteigt, sogar wenn ein Teil des Abgases zu der Seite des Bypass-Weges 20 strömt.
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Daher wird es möglich, eine Energierückgewinnung aus dem Abgas durch den Expander 42 effektiv durchzuführen, während der Befeuchtung durch den Befeuchter 30 der Vorrang gegeben wird, und ein Gleichgewicht zwischen der Befeuchtung und der Energie-Rückgewinnung zu erzielen, indem das Bypass-Verhältnis in dem Fall auf Null eingestellt wird, in welchem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als der untere Grenzwert Pfc_Lo_Imt ist, welcher P1 in 3 entspricht, und wenn sie den oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt übersteigt, welcher P3 in 3 entspricht.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Bypass-Verhältnis in Schritt 3 in dem Flussdiagramm von 2 auf 0,5 eingestellt. Allerdings ist das einzustellende Bypass-Verhältnis nicht auf 0,5 beschränkt, und ein geeigneter Wert kann durch ein Experiment, eine Computersimulation oder dergleichen bestimmt werden.
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Weiterhin wird im Schritt 3 in dem Flussdiagramm von 2 das Bypass-Verhältnis auf einen festen Wert (0,5) eingestellt. Allerdings kann das Bypass-Verhältnis entsprechend einer Zunahme der Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 verringert werden. In diesem Fall kann eine Abnahme des Bypass-Verhältnisses linear oder schrittweise verringert werden.
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Weiterhin wird in Schritt 2 in 2 das Bypass-Verhältnis in dem Fall auf 0 eingestellt, in welchem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als der untere Grenzwert Pfc_Lo_Imt ist, und in dem Fall, in welchem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 den oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt überschreitet. Allerdings kann das Bypass-Verhältnis in einem von den Fällen auf Null gesetzt werden.
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Weiter wird in Schritt 10 in 2 sowohl in dem Fall, in dem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als der untere Grenzwert Pfc_Lo_Imt (entspricht dem ersten vorbestimmten Wert der vorliegenden Erfindung) ist, als auch in dem Fall, in dem die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 den oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt (entspricht dem zweiten vorbestimmten Wert der vorliegenden Erfindung) übersteigt, das Bypass-Verhältnis auf Null eingestellt. Allerdings kann das Bypass-Verhältnis auf einen anderen Wert als Null eingestellt werden, und die Strömungsrate des auf dem Bypass-Weg strömenden Abgases kann auf einen sehr kleinen Betrag eingestellt werden. Weiter kann in diesem Fall das Bypass-Verhältnis auf einen unterschiedlichen Wert eingestellt werden, wenn die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner als der untere Grenzwert Pfc_Lo_Imt ist, und wenn die Ausgabeleistung Pfc des Brennstoffzellenstapels den oberen Grenzwert Pfc_Hi_Imt übersteigt.
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Weiterhin wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ausgabeleistung der Brennstoffzelle als der Brennstoffzellen-Ausgabeparameter der vorliegenden Erfindung verwendet. Allerdings kann ein Ausgabestrom der Brennstoffzelle, eine Temperatur der Brennstoffzelle, eine Strömungsrate von Brenngas, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, und dergleichen als der Brennstoffzellen-Ausgabeparameter verwendet werden.
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Ein Brennstoffzellensystem ist mit einem Expander 42 ausgestattet, der durch ein Abgas angetrieben wird, welches von einem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 ausgestoßen wird, und der Antriebskraft an einen Kompressor 40 überträgt, mit einem Bypass-Weg 20 in dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12, der einen Befeuchter 30 umgeht, einem Strömungs-Steuer-/Regelventil 21, welches einen Öffnungsgrad des Bypass-Weges 20 verändert, mit einem Spannungssensor 15, der eine Ausgabespannung des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst, mit einem Stromsensor 16, der einen Ausgabestrom des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst und mit einem Bypass-Steuer-/Regelelement 61, welches durch das Strömungs-Steuer-/Regelventil 21 ein Bypass-Verhältnis, das ein Verhältnis einer Größe einer Strömungsrate des Abgases, welches in dem Bypass-Weg strömt, in Bezug auf eine Gesamt-Strömungsrate des Abgases ist, welches von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu dem Oxidationsmittel-Ausstoßpfad 12 ausgestoßen wird, entsprechend der Ausgabeleistung von dem Brennstoffzellenstapel 10 verändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005-158354 [0002, 0003, 0004]
