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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, enthaltend eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen eines sauerstoffhaltigen Gases und eines Brenngases, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases, eine Brenngaszuführvorrichtung zum Zuführen des Brenngases, sowie eine Steuervorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems.
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Allgemein ist eine Brennstoffzelle ein System zum Erhalten von elektrischer Gleichstromenergie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases (eines hauptsächlich Wasserstoff enthaltendes Gases, wie etwa Wasserstoffgas), das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und eines sauerstoffhaltigen Gases (eines hauptsächlich Sauerstoff enthaltenden Gases, wie etwa Luft), das einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Dieses System wird in stationären Anwendungen genutzt. Ferner ist das System in mit einer Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeugen vorgesehen, zur Verwendung im Fahrzeug.
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Zum Beispiel verwendet eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Elektrolytmembran. Die Elektrolytmembran ist eine Polymer-Ionen-Austausch-Membran und ist zwischen eine Anode und eine Kathode eingefügt, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) zu bilden. Die Membranelektrodenanordnung und ein Paar von Separatoren, welche die Membranelektrodenanordnung zwischen sich aufnehmen, bilden eine Stromerzeugungszelle zum Erzeugen von Elektrizität. Im Gebrauch sind typischerweise eine vorbestimmte Anzahl der Stromerzeugungszellen zusammengestapelt, zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels, der z. B. in einem Fahrzeug angebracht wird.
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In dieser Hinsicht wird, als Brenngaszuführvorrichtung zum Zuführen eines Brenngases zur Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem mit einem Injektor verwendet. Eine solche Technik ist z. B. aus der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2009-146675 A bekannt, mit dem Titel „Brennstoffzellensystem und Aktivierungsverfahren eines Injektors”.
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Dieses Aktivierungsverfahren wird in einem Brennstoffzellensystem angewendet, welches enthält: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen eines Brenngases und eines sauerstoffhaltigen Gases, ein Druckregelventil zum Regulieren des Drucks des Brenngases, das von einer Brenngasquelle der Brennstoffzelle zugeführt wird, sowie eine Mehrzahl von Injektoren zum Regulieren des Zustands des der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases und unterschiedlichen zulässigen oberen Grenzwerten des Brennstoffdrucks, und einen Drucksensor zum Erfassen des Drucks des Brenngases zwischen dem Regulierventil und den Injektoren.
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Wenn in einem Steuerschritt dieses Aktivierungsverfahrens eine Anweisung für den Betriebsstart des Brennstoffzellensystems empfangen wird, wird, falls der von dem Drucksensor erfasste Druck des Brenngases einen vorbestimmten Druckwert oder mehr hat, zumindest einer der Injektoren aktiviert, die zulässige obere Grenzwerte haben, die gleich oder größer als der vorbestimmte Druckwert sind.
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Bei dieser herkömmlichen Ausführung wird es auf diese Weise möglich, die Ventile nur jener Injektoren zu öffnen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit aktiviert werden. Ferner ist es möglich, eine Aktivierung von Injektoren zu verhindern, die nicht aktiviert werden können, weil die zulässigen oberen Grenzwerte des Brennstoffdrucks kleiner als der Druck des Brenngases sind.
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Falls in der
JP 2009-146675 A der erfasste Wasserstoffdruck einen vorbestimmten Druckoberwert oder darüber hat, d. h. während Niederlastbetrieb, wird nur der derjenige Injektor mit dem höheren zulässigen oberen Grenzwert des Brennstoffdrucks aktiviert, d. h. nur der Injektor mit der kleineren Strömungsrate des Brenngases, welches zugeführt werden kann (Injektor mit kleinerer Strömungsrate), und das Ventil des Injektors wird geöffnet.
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Falls jedoch, nachdem ein Hochlastbetrieb für eine bestimmte Zeitdauer hinweg fortgedauert hat, der Betrieb zum Niederlastbetrieb umgeschaltet wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine große stehende Wassermenge vorhanden ist. Weil daher in dem Injektor mit kleiner Strömungsrate die Menge des injizierten Wasserstoffgases gering ist, sinkt die Wasserabführleistung, und die große Menge des stehenden Wassers kann nicht abgegeben werden. Daher sinkt die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle, und es wird schwierig, den gewünschten Stromerzeugungszustand beizubehalten.
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In der
DE 11 2009 005 151 T5 , auf der der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, sinkt der Druck des Wasserstoffgases, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle niedrig wird. Um eine Abnahme der Stromerzeugungsleistung aufgrund dieser Druckabnahme zu meiden, wird dort eine Wasserstoffpumpe eingesetzt, um die Strömungrate des Wasserstoffgases anzuheben. Diese ist jedoch nicht in der Lage, eine hohe Druckdifferenz zu erzeugen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems anzugeben, worin in einem Brenngaskanal stehengebliebenes Wasser einfach und zuverlässig abgegeben werden kann, während die gewünschte Stromerzeugungsleistung erhalten bleibt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 2 angegeben.
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Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen eines der Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases und eines der Anode zugeführten Brenngases; einer Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle; einer Brenngaszuführvorrichtung zum Zuführen des Brenngases zur Brennstoffzelle; und einer Steuervorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems.
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In dem Brennstoffzellensystem enthält die Brenngaszuführvorrichtung ein Brenngaszuführrohr zum Zuführen des Brenngases zur Anode der Brennstoffzelle; ein Brenngasabführrohr zum Abführen des Brenngases von der Anode der Brennstoffzelle; und eine Brenngaszuführeinheit, die in dem Brenngaszuführrohr vorgesehen ist, zum Injezieren des Brenngases bei jedem gesetzten Antriebszyklus.
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Die Steuervorrichtung enthält eine Antriebszyklussetzeinheit zum Setzen des Antriebszyklus der Brenngaszuführeinheit basierend auf einer Last der Brennstoffzelle; und eine Wasserzustandbestimmungseinheit zum Bestimmen, ob die Menge des Wassergehalts in der Brennstoffzelle übermäßig ist oder nicht, durch Bestimmung, ob die Menge des Wassergehalts eine vorbestimmte Menge oder mehr ist oder nicht. Wenn die Wasserzustandbestimmungseinheit bestimmt, dass die Menge des Wassergehalts übermäßig ist, setzt die Antriebszyklussetzeinheit den Antriebszyklus zum Injezieren des Brenngases auf länger als einen Antriebszyklus, der während Normalbetrieb benutzt wird.
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Ferner enthält das Steuerverfahren den Schritt des Zuführens des Brenngases zur Anode der Brennstoffzelle aus der Brenngaszuführvorrichtung durch Injektion bei jedem Antriebszyklus, der basierend auf einer Last der Brennstoffzelle gesetzt ist; Bestimmen, ob die Menge des Wassergehalts in der Brennstoffzelle übermäßig ist oder nicht durch Bestimmen, ob die Menge des Wassergehalts eine vorbestimmte Menge oder mehr ist oder nicht; und wenn bestimmt wird, dass die Menge des Wassergehalts übermäßig ist, Setzen des Antriebszyklus zum Injizieren des Brenngases auf länger als einen Antriebszyklus, der während Normalbetrieb verwendet wird.
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Falls in der vorliegenden Erfindung der Wassergehalt in der Brennstoffzelle übermäßig ist, wird ein langer Antriebszyklus zum Injizieren des Brenngases zur Brennstoffzelle gesetzt, und es wird eine große Brenngasmenge für eine Injektion gesetzt. Daher kann im Brenngaskanal der Brennstoffzelle stehengebliebenes Wasser einfach und zuverlässig abgegeben werden, und es wird möglich, die gewünschte Stromerzeugungsleistung beizubehalten.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung nur als illustratives Beispiel gezeigt sind.
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1 zeigt schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt in einem Flussdiagramm ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems;
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3 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Laststrom, der Stapeltemperatur und der Menge an stehendem Wasser;
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4 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Intervall zum Zuführen von Wasserstoffgas und der Injektionszeitperiode während Normalbetrieb;
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5 zeigt in einem Graph den Anodendruck während Normalbetrieb;
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6 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Intervall zum Zuführen des Wasserstoffgases und der Injektionszeitperiode während dem Betrieb zum Abgeben des stehengebliebenen Wassers;
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7 zeigt in einem Graph den Anodendruck während Betrieb zum Abgeben des stehengebliebenen Wassers;
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8 zeigt in einem Zeitdiagramm die EIN-/AUS-Steuerung eines Injektors und EIN-/AUS-Steuerung eines Spülventils;
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9 zeigt in einem Diagramm schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
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10 zeigt in einem Graph den Zustand, wo ein erster Injektor und ein zweiter Injektor während Normalbetrieb angetrieben werden;
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11 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems; und
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12 zeigt in einem Graph den Zustand, wo der erste Injektor und der zweite Injektor während des Betriebs zum Abgeben von stehengebliebenem Wasser angetrieben werden.
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Wie in 1 gezeigt, enthält ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenstapel 12, eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführeinrichtung zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Brenngaszuführeinrichtung 16 zum Zuführen eines Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, und einen Controller (Steuervorrichtung) 18 zum Steuern/Regeln des gesamten Brennstoffzellensystems 10. Zum Beispiel ist das Brennstoffzellensystem 10 in einem Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) angebracht, wie etwa einem elektrischen Brennstoffzellenautomobil.
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Der Brennstoffzellenstapel 12 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 20 zusammengestapelt werden. Jede der Brennstoffzellen 20 enthält eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 28. Die Membranelektrodenanordnung 28 enthält eine Kathode 24, eine Anode 26 und eine Festpolymerelektrolytmembran 22, die zwischen die Kathode 24 und die Anode 26 eingefügt ist. Zum Beispiel ist die Festpolymerelektrolytmembran 22 eine Elektrolytmembran auf Fluorbasis oder eine Elektrolytmembran auf Kohlenwasserstoffbasis.
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Die Kathode 24 und die Anode 26 enthalten jeweils eine Gasdiffussionsschicht, die aus Kohlepapier oder dergleichen hergestellt ist, und eine Elektrolytkatalysatorschicht aus porösen Kohlenstoffpartikeln, die auf ihren Oberflächen eine Platinlegierung (oder Ru etc.) tragen. Die Kohlenstoffpartikel sind gleichmäßig über die Oberflächen der Gasdiffussionsschicht der Kathode 24 und der Gasdiffussionsschicht der Anode 26 aufgelagert. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode 24 und die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode 26 sind jeweils an beiden Oberflächen der Festpolymer-Elektrolytmembran 22 befestigt.
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Die Brennstoffzelle 20 wird gebildet, indem die Membranelektrodenanordnung 28 zwischen einem kathodenseitigen Separator 30 und einem anodenseitigen Separator 32 aufgenommen wird. Zum Beispiel sind der kathodenseitige Separator 30 und der anodenseitige Separator 32 Kohlenstoffseparatoren oder Metallseparatoren.
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Ein Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 34 ist zwischen dem kathodenseitigen Separator 30 und der Membranelektrodenanordnung 28 vorgesehen, und ein Brenngasfließfeld 36 ist zwischen dem anodenseitigen Separator 32 und der Membranelektrodenanordnung 28 vorgesehen.
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Der Brennstoffzellenstapel 12 enthält Endplatten 37a, 37b an beiden Enden der Brennstoffzellen 20 in der Stapelrichtung. Eine Dichtziehlast wird auf Komponenten zwischen den Endplatten 37a, 37b in der Stapelrichtung durch Zugstangen (nicht gezeigt) oder ein Gehäuse oder dergleichen, das die Endplatten 37a, 37b enthält, ausgeübt.
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Die Endplatte 37a hat einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlassverteiler 38a zum Zuführen von sauerstoffhaltigem Gas (nachfolgend auch als Luft bezeichnet) und einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslasssammler 38b zum Abgeben des sauerstoffhaltigen Gases. Der Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlassverteiler 38a und der Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslasssammler 38b erstrecken sich in der Stapelrichtung durch die Brennstoffzellen 20 hindurch.
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Die Endplatte 37b hat einen Brenngaseinlassverteiler 40a zum Zuführen von Brenngas, wie etwa wasserstoffhaltigem Gas (nachfolgend auch als Wasserstoffgas bezeichnet) und einen Brenngasauslasssammler 40b zum Abführen des Brenngases. Der Brenngaseinlassverteiler 40 und der Brenngasauslasssammler 40b erstrecken sich durch die Brennstoffzellen 20 in der Stapelrichtung.
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Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 enthält eine Luftpumpe 50 zum Komprimieren und Zuführen der Atmosphärenluft. Die Luftpumpe 50 ist in einem Luftzuführkanal (Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführkanal) 52 vorgesehen. Ein Befeuchter 54 ist in dem Luftzuführkanal 52 vorgesehen, zum Austausch des Wassergehalts und der Wärme zwischen einem Zuführgas (dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführtes sauerstoffhaltiges Gas) und Abführgas (von dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführtes sauerstoffhaltiges Gas). Der Luftzuführkanal 52 ist mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlassverteiler 38a des Brennstoffzellenstapels 12 verbunden.
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Die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 hat einen Luftabführkanal (Sauerstoffhaltiges-Gas-Abführkanal) 56, der mit dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslasssammler 38b verbunden ist. Der Luftabführkanal 56 ist mit ienem Befeuchtungsmediumkanal (nicht gezeigt) des Befeuchters 54 verbunden. Ein Gegendrucksteuerventil 58 ist in dem Luftabführkanal 56 vorgesehen. Der Öffnungswinkel des Gegendrucksteuerventils 58 ist einstellbar, um den Druck der Luft zu regulieren, die von der Luftpumpe 50 dem Brennstoffzellenstapel 12 durch den Luftzuführkanal 52 zugeführt wird.
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Die Brenngaszuführvorrichtung 16 hat einen Wasserstofftank 60, der Hochdruckwasserstoff speichert. Der Wasserstofftank 60 ist mit dem Brenngaseinlassverteiler 40a des Brennstoffzellenstapels 12 durch einen Wasserstoffzuführkanal (Brenngaszuführrohr) 62 verbunden.
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Ein Druckreduzierventil 64, ein Unterbrechungsventil 66 und ein elektronisch gesteuerter Injektor (Brenngaszuführeinheit) 68 sind in dem Wasserstoffzuführkanal 62 vorgesehen. Der Injektor 68 injiziert das von dem Wasserstofftank 60 zugeführte Wasserstoffgas zyklisch zum Zuführen des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 12 durch den Wasserstoffzuführkanal 62. Die Brenngaszuführeinheit ist nicht auf den Injektor 68 beschränkt, und es können verschiedene Vorrichtungen verwendet werden. Dies gilt auch für eine später beschriebene zweite Ausführung.
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Ein Abgaskanal (Brenngasabführrohr) 70 ist mit dem Brenngasauslasssammler 40b verbunden, und ein Spülventil 72 ist an einer bestimmten Position in dem Abgaskanal 70 angeschlossen.
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Der Controller 18 hat eine Antriebszyklussetzeinheit 74 zum Setzen des Antriebszyklus des Injektors 68 basierend auf der Last des Brennstoffzellenstapels 12 und eine Wasserzustandbestimmungseinheit 76 zum Bestimmen, ob der Wassermengengehalt im Brennstoffzellenstapel 12 eine vorbestimmte Menge oder mehr ist oder nicht (ob die Menge des Wassergehalts in dem Brennstoffzellenstapel 12) zu hoch ist oder nicht.
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Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
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Zuerst wird, während das Brennstoffzellensystem 10 in Betrieb ist, die Luft dem Luftzuführkanal 52 durch die Luftpumpe 50 der Sauerstoffhaltiges-Gas-Zuführvorrichtung 14 zugeführt. Nachdem die Luft beim Durchfluss durch den Befeuchter 54 befeuchtet ist, wird die Luft dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Einlassverteiler 38a des Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Die Luft bewegt sich entlang dem Sauerstoffhaltiges-Gas-Fließfeld 34, das in jeder der Brennstoffzellen 20 des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist, und die Luft wird der Kathode 24 zugeführt.
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Partiell verbrauchte Luft (Abführluft) wird in den Luftabführkanal 56 durch den Sauerstoffhaltiges-Gas-Auslasssammler 38b abgeführt. Die abgeführte Luft wird zu dem Befeuchter 54 geschickt, um die Luft zu befeuchten, die durch eine wasserdurchlässige Membran zugeführt wird. Dann wird die Abführluft durch das Gegendrucksteuerventil 58 abgegeben.
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Unterdessen wird, in der Brenngaszuführvorrichtung 16, das Unterbrechungsventil 66 geöffnet, um das Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 60, dessen Druck durch das Druckreduzierventil 64 reduziert worden ist, dem Wasserstoffzuführkanal 62 durch Injektion durch den Injektor 68 zyklisch zuzuführen. Dieses Wasserstoffgas fließt durch den Wasserstoffzuführkanal 62, und das Wasserstoffgas wird dem Brenngaseinlassverteiler 40a des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt. Das in den Brennstoffzellenstapel 12 geleitete Wasserstoffgas bewegt sich entlang dem Brenngasfließfeld 36 von jeder der Brennstoffzellen 20, und das Wasserstoffgas wird der Anode 26 zugeführt.
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Partiell verbrauchtes Wasserstoffgas wird von dem Brenngasauslasssammler 40b zum Abgaskanal 70 abgeführt. Dann wird das Spülventil 72 geöffnet, und daher fließt das teilweise verbrauchte Wasserstoffgas z. B. in einen Verdünnerkasten (nicht gezeigt).
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Nachfolgend wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführung in Bezug auf des in 2 gezeigte Flussdiagramm beschrieben.
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Wenn, wie oben beschrieben, das Brennstoffzellensystem 10 in Betrieb ist, berechnet der Controller 18 die Menge von stehengebliebenem Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 12 (in der FC) (Schritt S1).
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Die Menge des stehengebliebenen Wassers kann durch Integration basierend auf einem Stehendes-Wasserraten-Kennfeld des Laststroms und der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 errechnet werden. Wie in 3 gezeigt, zeigt das Stehendes-Wasserraten-Kennfeld eine Beziehung, wo die Menge des stehengebliebenen Wassers entsprechend der Höhe des Laststroms zunimmt, und die Menge des stehengebliebenen Wassers zunimmt, wenn die Stapeltemperatur abnimmt. Die Menge des stehengebliebenen Wassers kann aus diesem Stehendes-Wasserraten-Kennfeld errechnet werden.
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Ferner kann, anstelle des Stehendes-Wasserraten-Kennfelds, auch die Impedanz der Brennstoffzelle 20 gemessen werden, und die Menge des stehengebliebenen Wassers kann aus der Impedanz geschätzt werden.
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Dann geht die Routine zu Schritt S2 weiter, um zu bestimmen, ob die Menge des stehengebliebenen Wassers in dem Brennstoffzellenstapel 12 zu hoch ist oder nicht (ob die Menge des Wassergehalts übermäßig ist). In Schritt S2 bestimmt die Wasserzustandbestimmungseinheit 76, ob die berechnete Menge des stehengebliebenen Wassers einen vorbestimmten Stehendes-Wasserschwellenwert überschreitet oder nicht. Ferner bestimmt die Wasserzustandbestimmungseinheit 76 bei Bedarf, ob der Brennstoffzellenstapel 12 Niederlast arbeitet oder nicht.
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Wenn ferner bestimmt wird, ob die errechnete Menge des stehengebliebenen Wassers den Stehendes-Wassermengen-Schwellenwert überschreitet, wird die Menge des stehengebliebenen Wassers als zu hoch bestimmt (JA in Schritt S2), und die Routine geht zu Schritt S3 weiter.
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Wenn in Schritt S3 bestimmt wird, dass der Anodendruck größer als ein unterer Grenzschwellenwert ist und kleiner als ein oberer Grenzschwellenwert, d. h. wenn bestimmt wird, dass die Druckschwankung im Anodendruck zulässig ist (JA in Schritt S3), geht die Routine zu Schritt 84 weiter.
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In Schritt S4 wird die Steuerung im Stehendes-Wasser-Abführmodus implementiert. Insbesondere wird der Steuerung im normalen Modus (Normalmodussteuerung) die Menge des injizierten Wasserstoffgases entsprechend dem Laststrom gesetzt. Zum Beispiel kann, wie in 4 gezeigt, durch Einschalten des Injektors 68 bei jedem vorbestimmten Intervall T1 für eine EIN-Zeitperiode T2 die Menge des injizierten Wasserstoffgases bei jedem Intervall T1 gesetzt werden. In diesem Fall liegt, wie in 5 gezeigt, die Amplitude des Anodendrucks (Druck im Anodenkanalsystem) innerhalb eines Anodendifferenzdrucks P1.
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Im Gegensatz hierzu wird im Stehendes-Wasser-Abführmodus, wie in 6 gezeigt, die Menge des injizierten Wasserstoffs eingestellt, indem der Injektor 68 bei jedem Intervall T3 eingeschaltet wird, das länger ist als während ein im Normalbetrieb benutztes Intervall T1, und für eine EIN-Zeitperiode T4, die länger ist als eine EIN-Zeitperiode T2 zum Einstellen der Menge des injizierten Wasserstoffs während Normalbetrieb. Daher ist die Menge des injizierten Wasserstoffs pro einer Injektion in diesem Modus größer als die Menge des injizierten Wasserstoffs pro einer Injektion während normalem Betrieb. Daher entspricht, wie in 7 gezeigt, die Amplitude des Anodendrucks dem Anodendifferenzdruck P2, der größer ist als der Anodendifferenzdruck P1 während Normalbetrieb, und die Zeitperiode, in der der Differenzdruck angewendet wird, wird lang.
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Wie oben beschrieben, ist in dem Stehendes-Wasser-Abführmodus der Antriebszyklus (T3) zum Injizieren des Wasserstoffgases länger als der Antriebszyklus (T1), der während Normalbetrieb verwendet wird, und die Einspritzmenge des Wasserstoffgases, die zu jedem Antriebszyklus (EIN-Zeitperiode T4) injiziert wird, ist größer als die Injektionsmenge während Normalbetrieb (EIN-Zeitperiode T2).
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Somit wird im Stehendes-Wasser-Abführmodus der Anodendruck P2 erzeugt, der größer ist als der Differenzdruck während Normalbetrieb, und die Zeitperiode, in der der Differenzdruck angewendet wird, wird lang. Daher wird es möglich, das im Anodenkanalsystem im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebene Wasser zuverlässig abzuführen. In diesem Fall kann der Prozess zum Abführen des stehengebliebenen Wassers unter Verwendung des Stehendes-Wasser-Abführ-Datenkennfelds in Bezug auf den Anodendifferenzdruck durchgeführt werden. Alternativ kann die Stehendes-Wasser-Abführsteuerung auch basierend auf der geschätzten Wassermenge unter Verwendung von Impedanzwerten realisiert werden.
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Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass die Menge des stehengebliebenen Wassers nicht zu groß ist (NEIN in Schritt S2), geht die Routine zu Schritt S5 weiter, um das Wasserstoffgas durch Implementieren der Normalmodussteuerung zuzuführen. Ähnlich, wenn bestimmt wird, dass die Druckschwankung nicht zulässig ist (NEIN in Schritt S3), geht die Routine zu Schritt S5 weiter, um die Normalmodussteuerung zu implementieren.
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Wenn in der ersten Ausführung bestimmt wird, dass die Menge des Wassergehalts (Menge des stehengebliebenen Wassers) im Brennstoffzellenstapel 12 zu groß ist, wird der Antriebszyklus zum Injizieren des dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Wasserstoffgases länger eingestellt als der Antriebszyklus, der während Normalbetrieb benutzt wird, und die jedem Antriebszyklus injizierte Einspritzmenge des Wasserstoffgases wird größer eingestellt als die Injektionsmenge während Normalbetrieb.
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Da auf diese Weise der Anodendifferenzdruck in den Anodenkanalsystem groß wird, und die Zeitperiode, in der der Differenzdruck anliegt, lang wird, kann das im Anodenkanalsystem stehengebliebene Wasser leicht und zuverlässig abgeführt werden. Dementsprechend wird es möglich, die gewünschte Stromerzeugungsleistung im Brennstoffzellenstapel 12 beizubehalten.
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Wenn ferner bestimmt wird, dass die Menge des stehengebliebenen Wassers zu groß ist (Schritt S2), wird eine zusätzliche Bedingung vorgesehen, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel 12 mit Niederlast arbeitet oder nicht. Da auf diese Weise der Stehendes-Wasser-Abführmodus während des Niederlastbetriebs angewendet wird, worin die bei der Stromerzeugung erzeugte Wassermenge klein ist, kann der Prozess zum Abführen des Wassers noch effizienter durchgeführt werden.
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Ferner kann in der ersten Ausführung, im Stehendes-Wasser-Abführmodus, die Öffnungs-/Schließsteuerung des Spülventils 72 synchron durchgeführt werden, während der Injektor 68 offen ist (innerhalb der EIN-Zeitperiode).
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Während, wie in 8 gezeigt, der Injektor 68 eingeschaltet ist, wird das Spülventil 72 zeitweilig eingeschaltet. Daher wird ein großer Differenzdruck zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Brennstoffzellenstapels 12 erzeugt, d. h. der Anodendifferenzdruck. Daher wird im Vergleich zum Normalbetrieb der Anodendifferenzdruck größer und kann das Wasser von dem Brennstoffzellenstapel 12 rascher und zuverlässiger abgeführt werden.
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In diesem Fall ist es durch Öffnen des Spülventils 72 möglich, den plötzlichen Anstieg des Anodendrucks zu unterdrücken, wenn der Injektor 68 eingeschaltet wird, wodurch der Anodendruck den oberen Grenzschwellenwert des Anodendrucks nicht zeitweilig überschreitet. Es soll angemerkt werden, dass der obere Grenzschwellenwert des Anodendrucks basierend auf dem Differenzdruck zwischen den Elektroden (Kathode und Anode) und der Haltbarkeit der Vorrichtungen des Brennstoffzellenstapels 12 bestimmt wird.
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In der ersten Ausführung wird, nachdem die im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebene Wassermenge berechnet worden ist (Schritt S1), bestimmt, ob die Menge des stehengebliebenen Wassers zu groß ist oder nicht (Schritt S2).
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Alternativ kann in der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellensystem, nachdem der Hochlastbetrieb bei einem vorbestimmten elektrischen Hochlastschwellenstromwert oder mehr für eine vorbestimmte Zeitdauer oder länger fortdauert wenn der Betrieb über einem vorbestimmten elektrischen Niederlastschwellenstromwert oder weniger zum Niederlastbetrieb umschaltet, die Menge des im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebenen Wassers als zu hoch bestimmt werden.
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Auf diese Weise bestimmt im Hochlastbetrieb die Wasserzustandbestimmungseinheit 76, ob Wasser stehengeblieben ist oder nicht. Daher wird es auch bei Niederlastbetrieb möglich, genau den Zustand zu erfassen, wo zuviel stehengebliebenes Wasser vorhanden ist.
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Wenn ferner in der vorliegenden Erfindung die seit dem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 abgelaufene Zeit innerhalb einer vorbestimmten Zeitperiode liegt, kann, wenn der Niederlastbetrieb für eine vorbestimmte Zeitdauer fortdauert und wenn die aus Impedanzwerten berechnete Wassermenge eine vorbestimmte Menge oder mehr ist, bestimmt werden, dass die Menge des im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebene Wasser zu groß ist. In diesem Fall kann auch die Starttemperatur des Brennstoffzellensystems 10 berücksichtigt werden.
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Auf diese Weise bestimmt die Wasserzustandbestimmungseinheit 76, dass die Menge des im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebenen Wassers zu groß ist, falls nach dem Startbetrieb eine vorbestimmte Zeitperiode nicht abgelaufen ist und die Systemtemperatur zu niedrig ist, um Wasserkondensation zu verursachen. Daher wird eine weitere Leistungsverbesserung beim Abführen des Wassers erzielt.
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9 zeigt in einem Diagramm schematisch die Struktur eines Brennstoffzellensystems 80 gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Bauelemente, die identisch mit jenen des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführung sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die Beschreibungen davon werden weggelassen.
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Das Brennstoffzellensystem 80 enthält eine Brenngaszuführvorrichtung 82. Ein Druckreduzierventil 64, ein Unterbrechungsventil 66, ein erster Injektor (erste Brenngaszuführeinheit) 84, und ein Ejektor 86 sind in einem Wasserstoffzuführkanal 62 der Brenngaszuführvorrichtung 82 vorgesehen.
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Wasserstoffgas wird von einem Wasserstofftank 60 einem Ejektor 86 zugeführt, und der Ejektor 86 führt das Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 12 durch den Wasserstoffzuführkanal 62 zu. Ferner saugt der Ejektor 86 aus einem Wasserstoffzirkulationskanal (Rückführrohr) 88 wasserstoffhaltiges Abgas an, das im Brennstoffzellenstapel 12 nicht verbraucht worden ist, um das Abgas (Brenngas) dem Brennstoffzellenstapel 12 erneut zuzuführen. Der Wasserstoffzirkulationskanal 88 ist an einer Position stromauf eines Spülventils 72 mit einem Abgaskanal 70 verbunden.
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Beide Enden eines Bypassrohrs 90 sind mit dem Wasserstoffzuführkanal 62 so verbunden, dass sie den ersten Injektor 84 und den Ejektor 86 umgehen. Ein zweiter Injektor (zweite Brenngaszuführeinheit) 92 ist in dem Bypassrohr 92 vorgesehen. Der zweite Injektor 92 ist als Vorrichtung konfiguriert, die das Brenngas mit einer großen Strömungrate, im Vergleich zum ersten Injektor 84, zuführen kann.
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In dem Brennstoffzellensystem 80 wird, wie in 10 gezeigt, während Niederlastbetrieb, nur der erste Injektor 84 als Vorrichtung mit kleiner Strömungsrate zum Zuführen des Wasserstoffgases benutzt. Wenn der Laststrom auf einen vorbestimmten Schwellenwert oder mehr ansteigt, wird, zusätzlich zum EIN/AUS-Betrieb des ersten Injektors 84, der EIN/AUS-Betrieb des zweiten Injektors 92 gestartet.
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Der erste Injektor 84 und der zweite Injektor 92 haben vorbestimmte EIN-Zeitperioden, jeweils mit vorbestimmten Intervallen. Die Injektionsmenge des ersten Injektors 84 und die Injektionsmenge des zweiten Injektors 92 haben die Beziehung zwischen dem Laststrom und der Injektionsmenge, wie sie in 10 gezeigt ist.
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Hierzu wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems 80 gemäß dem in 2 gezeigten Flussdiagramms ausgeführt, und die Steuerung wird gemäß dem in 11 gezeigten Zeitdiagramm realisiert. Insbesondere werden, in Abhängigkeit vom Laststrom, der erste Injektor 84 und der zweite Injektor 92 in Kombination verwendet, oder es wird nur der erste Injektor 84 angetrieben, um den Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 durchzuführen. Zum Beispiel wird während Hochlastbetrieb der zweite Injektor 92 angetrieben und wird während Niederlastbetrieb der zweite Injektor 92 nicht angetrieben.
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Der Controller 18 schätzt die Menge des im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebenen Wassers. Wenn die geschätzte Menge des stehengebliebenen Wassers einen Schwellenwert überschreitet, d. h. wenn der Controller 18 bestimmt, dass die Menge des stehengebliebenen Wassers zu groß ist, wird ein Stehendes-Wasser-Abführbetriebsflag gesetzt. Daher wird der Betrieb zum Stehendes-Wasser-Abführmodus umgeschaltet. Während Hochlastbetrieb wird der Intervall des zweiten Injektors 92 verlängert, um den Anodendifferenzdruck anzuheben. Hierbei braucht das Intervall des ersten Injektors 84 nicht verlängert zu werden (siehe Doppelpunktkettenlinien in 11). Weil nämlich der zweite Injektor 92 mit der großen Druckschwankung verwendet wird, ist es bevorzugt, dass der erste Injektor 84 benutzt wird, um die Normalsteuerung zu realisieren, um die Amplitude der Druckschwankung auf einen kleinen Grad zu begrenzen. Der Zustand der obigen Steuerung ist in 12 gezeigt.
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Während Niederlastbetrieb wird die Steuerung (EIN/AUS-Steuerung) implementiert, um das Wasserstoffgas für eine vorbestimmte EIN-Zeitperiode zu vorbestimmten Intervallen durch den zweiten Injektor 92 zu injizieren (die Intervalle brauchen nicht verlängert zu werden). Daher werden der Anodendifferenzdruck und die Menge des injizierten Wasserstoffgases groß genug, um das stehengebliebene Wasser abzuführen. Hierbei kann im ersten Injektor 84, im Stehendes-Wasser-Abführmodus, der AUS-Zustand beibehalten werden, und die Menge des injizierten Wasserstoffgases kann verringert werden. Das heißt, wenn der zweite Injektor 92 angetrieben wird, werden für den ersten Injektor 84 die Einstellbedingungen des Antriebszyklus und die Menge des bei jedem Antriebszyklus injizierten Wasserstoffgases so gesteuert/geregelt, dass sie gleich oder kleiner als die Einstellbedingungen während Normalbetrieb sind.
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Daher wird die Injektionsmenge des Wasserstoffgases, die bei jedem Intervall von dem zweiten Injektor 92 als die Vorrichtung mit großer Strömungsrate injiziert wird, erhöht. Daher wird der Differenzdruck groß, und man erhält die gewünschte Leistungsfähigkeit zum Abgeben des Wassers. Da ferner das Wasserstoffgas von dem zweiten Injektor 92 zugeführt wird, der keinen Sektor 86 an der stromabwärtigen Seite aufweist, wird der Anodendifferenzdruck groß, und man erhält eine Leistungsverbesserung beim Abgeben des Wassers.
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Ferner wird im Stehendes-Wasser-Abführmodus, wie in 11 gezeigt, während einer Einschaltperiode des zweiten Injektors 92 der EIN-Betrieb des Spülventils 72 durchgeführt. Daher erhält man in der zweiten Ausführung die gleichen Vorteile wie im Falle der ersten Ausführung. Zum Beispiel kann das Anodenkanalsystem des im Brennstoffzellenstapel 12 stehengebliebene Wasser leicht und zuverlässig abgeführt werden, und es wird möglich, die gewünschte Stromerzeugungsleistung beizubehalten.
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Eine Brenngaszuführvorrichtung (16) eines Brennstoffzellensystems (10) enthält ein Druckreduzierventil (64), ein Unterbrechungsventil (66) und einen Injektor (68) in einem Wasserstoffzuführkanal (62). Ein Controller (18) des Brennstoffzellensystems (10) enthält eine Antriebszyklussetzeinheit (74) zum Setzen des Antriebszyklus des Injektors (68) basierend auf einer Last des Brennstoffzellenstapels (12), und eine Wasserzustandbestimmungseinheit (76) zum Bestimmen, ob die Menge des Wassergehalts in der Brennstoffzelle (20) übermäßig ist oder nicht, durch Bestimmung, ob die Menge des Wassergehalts eine vorbestimmte Menge oder mehr ist oder nicht.
