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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems.
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Herkömmlich wird, beim Hochfahren eines Brennstoffzellensystems durch eine Zirkulationsvorrichtung wie etwa eine Zirkulationspumpe, die im Anodenströmungskanal der Brennstoffzelle stehende Luft in einem Zirkulationsströmungskanal eines Anodensystems umgewälzt. Hierdurch wird die Vermischung des zugeführten Wasserstoffs mit der im Anodenströmungskanal stehenden Luft begünstigt, und es wird ein Wasserstoffkonzentrationsgradient zwischen der Einlassseite und Auslassseite des Anodenströmungskanals der Brennstoffzelle beseitigt. Ferner wird beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems eine Spülung (nachfolgend als „Startspülung“ bezeichnet) zum Abgeben der im Anodenströmungskanal stehenden Luft während der Zirkulation durch die Zirkulationsvorrichtung durchgeführt (s.
JP 2004-165094 A ).
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Da jedoch die herkömmliche Startspülung während der Zirkulation durch die Zirkulationsvorrichtung durchgeführt wird, ist, auch wenn ein Spülventil offen ist, die abgegebene Gasmenge klein und die Spülwirkung gering. Wenn andererseits die Zirkulationsrate des von der Zirkulationsvorrichtung zirkulierten Gases reduziert wird, um die Spülwirkung zu verbessern, wird der Wasserstoffkonzentrationsgradient zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodenströmungskanals nicht beseitigt, und es besteht die Möglichkeit, dass die Brennstoffzelle schlechter wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems anzugeben, die in der Lage sind, sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung zu erreichen, als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Zur Lösung dieses Problems enthält das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom durch Versorgung mit Brenngas und Oxidationsgas; einen Brenngaszufuhrkanal zum Verbinden der Brennstoffzelle mit einem Brennstofftank; einen Brennabgasabführkanal, in dem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brennabgas fließt; einen Brennabgaszirkulationskanal zum Verbinden des Brennabgasabführkanals mit dem Brenngaszufuhrkanal; ein Spülventil, das an dem Brennabgasabführkanal und an der stromabwärtigen Seite eines Verbindungspunkts mit dem Brennabgaszirkulationskanal angeordnet ist und durch die Ventilöffnung das Brennabgas abgibt; eine Zirkulationsvorrichtung zum Zirkulieren des Brennabgases über den Brennabgaszirkulationskanal; und eine Steuervorrichtung zur Durchführung einer Startspülung durch Unterteilen der Startspülung in eine erste Startspülung und eine zweite Startspülung, wobei die Steuervorrichtung aufweist: eine Zirkulationsrateneinstelleinheit, die eine Zirkulationsrate von durch den Brennabgaszirkulationskanal zirkulierendem Gas durch Steuern/Regeln eines Antriebsbetrags der Zirkulationsvorrichtung einstellt; eine erste Startspüleinheit, die die erste Startspülung durch Öffnen des Spülventils in einem Zustand ausführt, wo die Zirkulationsrate des zirkulierenden Gases durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit auf eine Mischbegünstigungsrate erhöht ist, die in der Lage ist, eine Vermischung des Brenngases mit dem Zirkulationsgas zu begünstigen; und eine zweite Startspüleinheit, die die zweite Startspülung durch Öffnen des Spülventils in einem Zustand ausführt, wo nach der ersten Startspülung die Gaszirkulationsrate durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit auf weniger als die Mischbegünstigungsrate reduziert ist.
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Erfindungsgemäß wird hierbei die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf die Mischbegünstigungsrate erhöht, um die Vermischung des Brenngases mit dem Zirkulationsgas beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems zu begünstigen. Wenn daher die erste Startspülung durchgeführt wird, befindet sich die im Anodenströmungskanal stehende Luft beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems in einem Zustand, in dem sie mit dem Brenngas ausreichend vermischt ist, und es wird ein Sauerstoffkonzentrationsgradient zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodenströmungskanals der Brennstoffzelle beseitigt, wodurch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert wird. Wenn ferner die zweite Startspülung durchgeführt wird, kann, da die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases reduziert ist, die Spülwirkung verbessert werden, indem eine Gasmenge zur Spülventilseite vom Gas in dem Brennabgasabführkanal erhöht wird, wodurch das Gas in relativ kurzer Zeit ausgetauscht werden kann. Da wie oben beschrieben gemäß der obigen Erfindung die Startspülung durchgeführt wird, indem die Startspülung in die erste Startspülung und die zweite Startspülung unterteilt wird, während die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases eingestellt wird, ist es möglich, sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung zu erreichen, als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Ferner enthält die Zirkulationsvorrichtung bevorzugt eine Zirkulationspumpe, die an dem Brennabgaszirkulationskanal angeordnet ist, und wobei bevorzugt die Zirkulationsrateneinstelleinheit die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases durch Steuern/Regeln einer Antriebsdrehzahl der Zirkulationspumpe einstellt.
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Da gemäß der obigen Konfiguration die Zirkulationspumpe verwendet wird, ist es einfach, die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf die Mischbegünstigungsrate zu setzen.
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Ferner enthält die Zirkulationsvorrichtung bevorzugt einen Ejektor, der an einem Verbindungspunkt zwischen dem Brenngaszufuhrkanal und dem Brennabgaszirkulationskanal angeordnet ist; eine erste Brenngaszufuhreinheit, die in dem Brenngaszufuhrkanal und an der stromaufwärtigen Seite des Ejektors angeordnet ist und eine Zufuhrmenge des Brenngases steuert/regelt; einen Bypasszufuhrkanal, der von dem Brenngaszufuhrkanal abzweigt und mit dem Brenngaszufuhrkanal unter Umgehung der ersten Brenngaszufuhreinheit und des Ejektors verbunden ist; und eine zweite Brenngaszufuhreinheit, die an dem Bypasszufuhrkanal angeordnet ist, wobei bevorzugt die Zirkulationsrateneinstelleinheit die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases durch Steuern/Regeln des Antriebs der ersten Brenngaszufuhreinheit und der zweiten Brenngaszufuhreinheit einstellt.
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Gemäß der obigen Konfiguration ist es durch Einstellen des von der ersten Brenngaszuführeinheit zugeführten Brenngases möglich, die Zirkulationsrate des für den Ejektor abgegebenen Zirkulationsgases auf die Mischbegünstigungsrate zu setzen.
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Ferner hat die Steuervorrichtung bevorzugt eine Stromerzeugungsstarteinheit, die die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle startet, und wobei bevorzugt die Stromerzeugungsstarteinheit die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle nach Abschluss der ersten Startspülung startet.
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Da gemäß der obigen Konfiguration die Brennstoffzelle die Stromerzeugung nach Abschluss der ersten Startspülung beginnt, ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, bis seit dem Hochfahren des Systems Strom geliefert wird. Wenn übrigens die erste Startspülung abgeschlossen ist, ist die im Anodenströmungskanal stehende Luft mit dem Brenngas ausreichend vermischt, und neues Brenngas wird in dem Anodenströmungskanal der Brennstoffzelle verteilt. Daher besteht keine Möglichkeit eines stöchiometrischen Mangels, auch wenn die Stromerzeugung nach Abschluss der ersten Startspülung gestartet wird.
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Ferner enthält das Brennstoffzellensystem bevorzugt einen Oxidationsgaszufuhrkanal, in dem das Oxidationsgas durch Verbindung der Brennstoffzelle mit einer Luftpumpe zugeführt wird; einen Oxidationsabgasabführkanal, in dem ein von der Brennstoffzelle abgegebenes Oxidationsabgas fließt; und ein Verdünnungsteil zum Verdünnen des Brennabgases mit dem Oxidationsabgas, wobei bevorzugt die Steuereinheit eine Oxidationsgaszufuhrmengeneinstelleinheit aufweist, die eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases durch Steuern/Regeln einer Antriebsdrehzahl der Luftpumpe einstellt, und wobei bevorzugt die Oxidationsgaszufuhrmengeneinstelleinheit die Zufuhrmenge des Oxidationsgases bis zum Abschluss der zweiten Startspülung seit dem Start der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle erhöht, so dass sie größer wird als eine Lastäquivalenzmenge entsprechend einem Lastzustand in der Brennstoffzelle.
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Da gemäß der obigen Konfiguration das Oxidationsgas stärker zugeführt wird, als die Lastäquivalenzmenge entsprechend dem Lastzustand in der Brennstoffzelle, wird verhindert, dass die Konzentration des Brennabgases im durch das Verdünnungsteil verdünnten Abgases erhöht wird, auch wenn die zweite Startspülung nach dem Start der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle durchgeführt wird.
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Ferner hat die Steuervorrichtung bevorzugt eine Druckregeleinheit, die einen Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases reguliert, und wobei bevorzugt die Druckregeleinheit den Druck des Brenngases während der Durchführung der zweiten Startspülung reduziert, so dass er kleiner ist als während der Durchführung der ersten Startspülung.
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Gemäß der obigen Konfiguration wird die Spülwirkung weiter verbessert, wenn die zweite Startspülung durchgeführt wird.
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Ferner wird zur Lösung der obigen Aufgabe ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems angegeben, welches aufweist: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom durch Versorgung mit Brenngas und Oxidationsgas; einen Brenngaszufuhrkanal zum Verbinden der Brennstoffzelle mit einem Brennstofftank; einen Brennabgasabführkanal, in dem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brennabgas fließt; einen Brennabgaszirkulationskanal zum Verbinden des Brennabgasabführkanals mit dem Brenngaszufuhrkanal; ein Spülventil, das an dem Brennabgasabführkanal und an der stromabwärtigen Seite eines Verbindungspunkts mit dem Brennabgaszirkulationskanal angeordnet ist und durch die Ventilöffnung das Brennabgas abgibt; eine Zirkulationsvorrichtung zum Zirkulieren des Brennabgases durch den Brennabgaszirkulationskanal; und eine Steuervorrichtung zur Durchführung einer Startspülung durch Unterteilen der Startspülung in eine erste Startspülung und eine zweite Startspülung, wobei die Steuervorrichtung aufweist: eine Zirkulationsrateneinstelleinheit, die eine Zirkulationsrate von Zirkulationsgas durch Steuern/Regeln eines Antriebsbetrags der Zirkulationsvorrichtung einstellt; eine erste Startspüleinheit, die die erste Startspülung durchführt; und eine zweite Startspüleinheit, die die zweite Startspülung nach der ersten Startspülung durchführt, und wobei das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems die folgenden Schritte enthält: einen Schritt zum Erfassen eines Startsignals der Brennstoffzelle; einen Schritt zum Erhöhen der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf eine Mischbegünstigungsrate, die in der Lage ist, die Vermischung des Brenngases mit dem Zirkulationsgas zu begünstigen, durch Steuern/Regeln der Zirkulationsvorrichtung durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit, nach Erfassung des Startsignals; einen Schritt zum Durchführen der ersten Startspülung durch Öffnen des Spülventils durch die erste Startspüleinheit nach Erhöhung der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases; einen Schritt zum Durchführen der zweiten Startspülung durch Öffnen des Spülventils durch die zweite Startspüleinheit nach Abschluss der ersten Startspülung; und einen Schritt zum Reduzieren der Gaszirkulationsrate, so dass sie kleiner wird als die Mischbegünstigungsrate, durch Steuern/Regeln der Zirkulationsvorrichtung durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit vor Abschluss der zweiten Startspülung und nach Abschluss der ersten Startspülung.
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Gemäß der obigen Erfindung befindet sich, durch den Schritt der Erhöhung der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf die Mischbegünstigungsrate die Luft, die im Anodenströmungskanal beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems steht, in einem Zustand, in dem sie mit dem Brenngas ausreichend vermischt ist. Daher wird der Konzentrationsgradient des Brenngases in dem Anodenströmungskanal beseitigt und wird eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert. Ferner wird durch den Schritt des Reduzierens der Gaszirkulationsrate so, dass sie geringer ist als die Mischbegünstigungsrate, die Gaszirkulation reduziert. Weil daher die zweite Startspülung in einem Zustand durchgeführt wird, wo die Gaszirkulation reduziert ist, kann die Gasmenge zur Spülventilseite von dem Gas vom Brennabgasabführkanal erhöht werden, und hierdurch kann die Spülwirkung verbessert werden. Infolgedessen kann die Erfindung sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung erreichen als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindern.
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Ferner wird zur Lösung des obigen Problems ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems angegeben, welches aufweist: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom durch Versorgung mit Brenngas und Oxidationsgas; einen Brenngaszufuhrkanal zum Verbinden der Brennstoffzelle mit einem Brennstofftank; einen Brennabgasabführkanal, in dem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brennabgas fließt; einen Brennabgaszirkulationskanal zum Verbinden des Brennabgasabführkanals mit dem Brenngaszufuhrkanal; ein Spülventil, das an dem Brennabgasabführkanal und an der stromabwärtigen Seite eines Verbindungspunkts mit dem Brennabgaszirkulationskanal angeordnet ist und durch die Ventilöffnung das Brennabgas abgibt; eine Zirkulationsvorrichtung zum Zirkulieren des Brennabgases durch den Brennabgaszirkulationskanal; und eine Steuervorrichtung zur Durchführung einer Startspülung durch Unterteilen der Startspülung in eine erste Startspülung und eine zweite Startspülung, wobei die Steuervorrichtung aufweist: eine Zirkulationsrateneinstelleinheit, die eine Zirkulationsrate von Zirkulationsgas durch Steuern/Regeln eines Antriebsbetrags der Zirkulationsvorrichtung einstellt; eine erste Startspüleinheit, die die erste Startspülung durchführt; und eine zweite Startspüleinheit, die die zweite Startspülung nach der ersten Startspülung durchführt, und wobei das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems die folgenden Schritte enthält: einen Schritt zum Erfassen eines Startsignals der Brennstoffzelle; einen Schritt zum Erhöhen der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf eine Mischbegünstigungsrate, die in der Lage ist, die Vermischung des Brenngases mit dem Zirkulationsgas zu begünstigen, durch Steuern/Regeln der Zirkulationsvorrichtung durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit, nach Erfassung des Startsignals; einen Schritt zum Abwarten, bis ein Druck in einem Brenngasströmungskanal der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Druck einnimmt, um die Stromerzeugung nach Erhöhen der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases zu erlauben; einen Schritt zum Bestimmen, ob eine Verweilzeit der Brennstoffzelle innerhalb einer vorbestimmten Zeit liegt oder nicht, die nach dem Warteschritt keine Durchführung der ersten Startspülung erfordert; einen Schritt zum Erlauben der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle, ohne die erste Startspülung auszuführen, wenn bestimmt wird, dass die Verweilzeit der Brennstoffzelle innerhalb der vorbestimmten Zeit liegt; einen Schritt zum Durchführen der zweiten Startspülung durch Öffnen des Spülventils durch die zweite Startspüleinheit nach dem Schritt zum Erlauben der Stromerzeugung; und einen Schritt zum Reduzieren der Gaszirkulationsrate, so dass sie kleiner wird als die Mischbegünstigungsrate, durch Steuern/Regeln der Zirkulationsvorrichtung durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit vor Abschluss der zweiten Startspülung und nach dem Erlauben der Stromerzeugung.
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Gemäß der obigen Erfindung gelangt durch den Schritt der Erhöhung der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases die Mischbegünstigungsrate, die Luft, die beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems in dem Anodenströmungskanal steht, in einen Zustand, wo sie mit dem Brenngas ausreichend vermischt ist. Daher wird der Konzentrationsgradient des Brenngases in dem Anodenströmungskanal beseitigt, und wird eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert. Wenn ferner die zweite Spülung durchgeführt wird, kann, weil das Zirkulationsgas durch den Schritt des Zirkulierens der Gaszirkulationsrate auf kleiner als die Mischbegünstigungsrate reduziert ist, die Gasmenge zu der Spülventilseite von dem Gas in dem Brenngasabführkanal erhöht werden, und hierdurch kann die Spülwirkung verbessert werden. Infolgedessen kann die vorliegende Erfindung sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung erreichen als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindern. Wenn ferner bestimmt wird, dass die Verweilzeit der Brennstoffzelle innerhalb der vorbestimmten Zeit liegt, ist es möglich, die Zeit bis zum Beginn der Stromerzeugung zu verkürzen, da der Start der Stromerzeugung der Brennstoffzelle erlaubt wird, ohne die erste Startspülung durchzuführen.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, die in der Lage sind, sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung zu erreichen als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Gesamtblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführung;
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2 zeigt in einem Kennfeld Beziehungen zwischen einer Verweilzeit und einer Gesamtspülmenge der Startspülung und zwischen der Verweilzeit und der Spülmenge einer ersten Startspülung;
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3 zeigt in einem Flussdiagramm einen Betriebsfluss des Brennstoffzellensystems beim Start des Brennstoffzellensystems in der ersten Ausführung;
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4 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Betriebsbeispiel des Brennstoffzellensystems beim Start des Brennstoffzellensystems in der ersten Ausführung;
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5 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Betriebsbeispiel eines Brennstoffzellensystems gemäß einem modifizierten Beispiel der ersten Ausführung;
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6 ist ein Gesamtblockdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführung;
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7 zeigt in einem Flussdiagramm einen Betriebsfluss des Brennstoffzellensystems beim Start des Brennstoffzellensystems in der zweiten Ausführung; und
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8 zeigt in einem Zeitdiagramm ein Betriebsbeispiel des Brennstoffzellensystems beim Start des Brennstoffzellensystems in der zweiten Ausführung.
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(Erste Ausführung)
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Nachfolgend wird die erste Ausführung in Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben. Übrigens ist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausführung in einem nicht gezeigten Brennstoffzellenfahrzeug angebracht. Das Brennstoffzellenfahrzeug ist zum Beispiel ein vierrädriges Fahrzeug, ein dreirädriges Fahrzeug, ein Kraftrad, ein Einrad, eine Eisenbahn oder dergleichen. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem auch bei anderen Fahrzeugen wie etwa einem Schiff oder einem Flugzeug angebracht werden. Ferner kann auch für den stationären, kommerziellen oder häuslichen Gebrauch angewendet werden.
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Wie in 1 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung einen Brennstoffzellenstapel 10, ein Anodensystem zum Zuführen und Abführen von Wasserstoff (Brenngas) zu und von der Anode des Brennstoffzellenstapels 10, ein Kathodensystem zum Zuführen und Abführen von sauerstoffhaltiger Luft (Oxidationsgas) zu und von einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 sowie ein Leistungssteuersystem zum Steuern/Regeln der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10, und eine ECU (elektronische Steuereinheit) 60 zum elektronischen Steuern/Regeln von diesen.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 ist ein Stapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einzelzellen 11 vom Festpolymertyp aufgebaut ist, und eine Mehrzahl der Einzelzellen 11 sind seriell verbunden. Die Einzelzelle 11 enthält eine MEA (Membranelektrodenanordnung) und zwei leitfähige Separatoren, welche die MEA zwischen sich aufnehmen. Die MEA enthält eine Elektrolytmembran (Festpolymermembran), die aus einer monovalenten Kationenaustauschmembran oder dergleichen, sowie eine Anode und eine Kathode (Elektroden), die die Elektrolytmembran zwischen sich aufnehmen.
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Jeder der Separatoren ist mit einer Nut zum Zuführen von Luft oder Wasserstoff zur Gesamtoberfläche der MEA ausgebildet, sowie einem Durchgangsloch zum Zuführen und Abführen von Luft oder Wasserstoff zu und von der Einzelzelle 11, und diese Nuten und Durchgangslöcher fungieren jeweils als Anodenströmungskanal 12 (Brenngasströmungskanal) und Kathodenströmungskanal 13 (Oxidationsgasströmungskanal). Wenn Wasserstoff jeder Anode über den Anodenströmungskanal 12 zugeführt wird und Luft jeder Kathode über den Kathodenströmungskanal 13 zugeführt wird, entsteht in jeder Einzelzelle 11 eine Potenzialdifferenz (OCV) (Leerlaufspannung). Wenn dann der Brennstoffzellenstapel 10 mit einer externen Schaltung wie etwa einem Motor 41 elektrisch verbunden ist, erzeugt, um den Strom zu erhalten, der Brennstoffzellenstapel 10 Energie.
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Das Anodensystem enthält hauptsächlich ein Wasserstofftank 21 (Brenngaszufuhrquelle), ein normalerweise geschlossenes Absperrventil 22, einen ersten Injektor 23A (Brenngaszufuhrdruckregeleinheit: in den Zeichnungen als „INJ A“ bezeichnet), ein Spülventil 26, eine Wasserstoffpumpe 27 und einen Drucksensor 28. Ferner ist das Anodensystem versehen mit einem Rohr 21a, einem Rohr 22a und einem Rohr 24a als Brenngaszufuhrkanal zum Verbinden des Wasserstofftanks 21 mit einem Einlass 12a des Anodenströmungskanals 12.
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Der Wasserstofftank 21 ist ein Tank, in dem Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert wird. Ferner ist das Absperrventil 22 ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das mit dem Wasserstofftank 21 über das Rohr 21a verbunden ist und entsprechend einer Anweisung von der ECU 60 geöffnet oder geschlossen wird.
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Der erste Injektor 23A wird durch die ECU 60 elektronisch derart angesteuert, dass er während Normalbetrieb Wasserstoff intermittierend injizieren kann, und ist in der Lage, für eine kurze Zeit beim Hochfahren Wasserstoff mit hohem Druck kontinuierlich zu injizieren. Der erste Injektor 23A kombiniert bekannte Komponenten wie etwa ein Gehäuse, ein Solenoid, einen Stößel, eine Druckschraubenfeder und eine Düse. Ferner ist der erste Injektor 23A mit dem Absperrventil 22 über das Rohr 22a verbunden und ist mit dem Anodenströmungskanal 12 des Brennstoffzellenstapels 10 über das Rohr 24a verbunden. In einem Zustand, wo das Absperrventil 22 offen ist, wird, wenn der erste Injektor 23a Wasserstoff injiziert, der Wasserstoff im Wasserstofftank 21 dem Anodenströmungskanal 12 durch das Rohr 21a und dergleichen zugeführt.
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Ferner ist das Rohr 26a mit einem Auslass 12b des Anodenströmungskanals 12 der Brennstoffzelle verbunden. Das Rohr 26a ist mit einem später beschriebenen Verdünnungsteil 34 über das Spülventil 26 und ein Rohr 26b verbunden. Das Spülventil 26 wird durch die ECU 60 geöffnet, wenn Verunreinigungen (Wasserdampf, Stickstoff und dergleichen) gespült werden, welche im Anodenabgas enthalten sind, das in dem Anodenzirkulationsströmungskanal (Anodenströmungskanal 12, Rohre 26a, 27a, 27b, 24a) während der Stromerzeugung im Brennstoffzellenstapel 10 zirkuliert, und wenn beim Systemstart die Luft im Anodenströmungskanal 12 durch Wasserstoff ersetzt wird.
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Die Wasserstoffpumpe 27 ist eine Wasserstoffpumpe (Zirkulationsrateinstelleinheit), die das Anodenabgas (Brennabgas), das von dem Auslass 12b des Anodenströmungskanals 12 abgegeben wird, zum Einlass 12a des Anodenströmungskanals 12 zurückführt, und wird durch eine Anweisung von der ECU 60 gesteuert/geregelt. Übrigens ist eine Einlassöffnung der Wasserstoffpumpe 27 mit dem Rohr 26a über das Rohr 27a verbunden, und eine Auslassöffnung der Wasserstoffpumpe 27 ist mit dem Rohr 24a über das Rohr 27b verbunden.
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Der Drucksensor 28 ist an dem Rohr 24a in der Nähe vom Einlass 12a des Anodenströmungskanals 12 angebracht. Ferner dient der Drucksensor 28 zum Erfassen eines Drucks (im Wesentlichen gleich dem Anodendruck im Anodenströmungskanal 12) in dem Rohr 24a, zum Ausgeben des erfassten Drucks an die ECU 60. Übrigens kann der Drucksensor 28 auch an dem Rohr 26a in der Nähe vom Auslass 12b des Anodenströmungsakanals 12 angebracht sein.
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Das Kathodensystem enthält eine Luftpumpe 31, einen Befeuchter 32, ein Gegendruckventil 33, ein Verdünnungsteil 34, einen Drucksensor 35 und dergleichen.
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Eine Auslassöffnung der Luftpumpe 31 ist mit einem Einlass des Kathodenströmungsakanals 13 über ein Rohr 31a, den Befeuchter 32 und ein Rohr 32a verbunden. Ferner wird die Luftpumpe 31 von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben, und wenn sie gemäß einer Anweisung von der ECU 60 arbeitet, dient sie zum Aufnehmen von sauerstoffhaltiger Luft und zum Zuführen der Luft zum Kathodenströmungskanal 13.
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Ein Auslass des Kathodenströmungskanals 13 ist mit dem Verdünnungsteil 34 über ein Rohr 32b, den Befeuchter 32, ein Rohr 33a, das Gegendruckventil 33 und ein Rohr 33b verbunden.
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Der Befeuchter 32 enthält eine wasserdurchlässige Hohlfasermembran (nicht gezeigt) und dient zum Feuchtigkeitsaustausch zwischen Frischluft von der Luftpumpe 31 und feuchtem Kathodenabgas von dem Auslass des Kathodenströmungskanals 13 durch die Hohlfasermembran, um die Frischluft zu befeuchten.
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Das Gegendruckventil 33 ist aus einem normalerweise offenen Klappenventil oder dergleichen aufgebaut und dient zum Steuern/Regeln von Gegendruck davon (dem Druck im Kathodenströmungskanal 13) gemäß einer Anweisung von der ECU 60. Übrigens kann der Druck der Kathode durch Ansteuern des Gegendruckventils 33 angehoben oder abgesenkt werden, so dass eine Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode nicht zu groß wird.
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Am Verdünnungsteil 34 sind das Rohr 33b und das Rohr 26b miteinander verbunden. Demzufolge vereinigen sich am Verdünnungsteil 34 das in das Rohr 26b fließende Anodenabgas und das in das Rohr 33b fließende Kathodenabgas, und das Anodenabgas wird durch das Kathodenabgas verdünnt. Dann wird das verdünnte Anodenabgas über das Rohr 34a zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben.
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Der Drucksensor 35 ist an dem Rohr 32a in der Nähe vom Einlass des Kathodenströmungskanals 13 angebracht. Ferner dient der Drucksensor 35 zum Erfassen eines Drucks (im Wesentlichen gleich dem Druck im Kathodenströmungskanal 13) in dem Rohr 32a, und zur Ausgabe des erfassten Drucks an die ECU 60. Übrigens kann der Drucksensor 35 auch an dem Rohr 32b in der Nähe von Auslass des Kathodenströmungskanals 13 angebracht werden.
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Das Leistungssteuersystem enthält einen Motor 41, eine PDU 42 (Leistungstreibereinheit), einen Leistungscontroller 43, ein Schaltschütz 44 und dergleichen. Der Motor 41 ist mit einem Ausgangsanschluss (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 10 über die PDU 42, den Leistungscontroller 43 und das Schaltschütz 44 verbunden.
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Der Motor 41 ist ein Elektromotor, der eine Antriebskraft zum Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt.
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Die PDU 42 ist ein Inverter, der Gleichstromenergie von dem Leistungscontroller 43 in Dreiphasen-Wechselstromenergie umwandelt und die umgewandelte Wechselstromenergie dem Motor 41, gemäß einer Anweisung von der ECU 60, zuführt.
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Der Leistungscontroller 43 enthält verschiedene elektronische Schaltungen wie etwa eine DC-DC-Zerhackerschaltung, und die Funktion zum Steuern/Regeln von Ausgaben (erzeugte Leistung, Stromwert, Spannungswert) des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer Anweisung von der ECU 60.
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Das Schaltschütz 44 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Leistungscontroller 43 angeordnet und enthält einen Schalter zum Verbinden oder Blockieren des Brennstoffzellenstapels 10 mit externen Lasten wie etwa einem Motor 41 und wird durch die ECU 60 geöffnet oder geschlossen.
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Ein IG 51 ist ein Startschalter für das Brennstoffzellensystem 1 (Brennstoffzellenfahrzeug) und ist in der Nähe vom Fahrersitz angeordnet. Ferner ist der IG 51 mit der ECU 60 verbunden, und die ECU 60 dient zum Erfassen eines EIN-Signals (Systemstartsignals) und eines AUS-Signals (Systemstoppsignals) des IG 51.
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Ein Timer 52 dient zum Messen einer Verweilzeit (Stoppdauer) des Brennstoffzellenstapels 10, bis zur Erfassung des EIN-Signals ab der Erfassung des AUS-Signals des IG 51 und zum Ausgeben der gemessenen Verweilzeit an die ECU 60.
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Die ECU 60 ist eine Steuervorrichtung zum elektronischen Steuern/Regeln des Brennstoffzellensystems 1 und enthält eine CPU (zentrale Prozessoreinheit), ein ROM (Festwertspeicher), ein RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff), verschiedene Schnittstellen, eine elektronische Schaltung und dergleichen. Ferner dient die ECU 60 zum Steuern/Regeln von verschiedenen Vorrichtungen und führt verschiedene Prozesse gemäß einem darin gespeicherten Programm aus.
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Die ECU 60 fungiert zur PWM(Pulsweitenmodulations-)Steuerung/Regelung für den ersten Injektor 23A. Ferner fungiert die ECU 60 zum Steuern/Regeln einer Strömungsrate vom Wasserstoff, der von dem ersten Injektor 23A injiziert und dem Anodenströmungskanal 12 zugeführt wird, durch Verändern eines Verhältnisses einer Öffnungsanweisung (Ventilöffnungszeit [Ti Wert], EIN-Tastung), die an den ersten Injektor 23A ausgegeben wird, in Bezug auf ein Intervall (Intervall zwischen einem Ventilöffnungsstart und dem nächsten Ventilöffnungsstart, eine Referenzperiode).
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Die ECU 60 hat die Funktion (Oxidationsgaszufuhrmengeneinstelleinheit) zum Erstellen der Strömungsrate des der Kathode zugeführten Sauerstoffs zum Steuern/Regeln vom Antrieb der Luftpumpe 31 und von deren Antriebsdrehzahl. Übrigens wird die Strömungsrate des Wasserstoffs, der der Kathode durch die Oxidationsgaszufuhrmengeneinstelleinheit zugeführt wird, später beschrieben.
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Die ECU 60 hat die Funktion (Zirkulationsrateneinstelleinheit) zum Einstellen der Zirkulationsrate vom im Anodenzirkulationsströmungskanal zirkulierenden Gas der (Anodenströmungskanal 12, ein Teil des Rohrs 26a, die Rohre 27a, 27b und Teil des Rohrs 24a) durch Steuern/Regeln vom Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 und von deren Antriebsdrehzahl. Ferner hat die ECU 60 die Funktion, durch Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 einen Gasfluss zu bewirken, der in dem Anodenzirkulationsströmungskanal zirkuliert, wenn die ECU 60 das EIN-Signals des IG 51 erfasst, und zum Steuern/Regeln der Antriebsdrehzahl der Wasserstoffpumpe 27 derart, dass die Zirkulationsrate des zirkulierenden Gases zu einer Mischbegünstigungsrate wird. Übrigens ist die Mischbegünstigungsrate eine Strömungsrate bzw. Geschwindigkeit, die in der Lage ist, die Vermischung von Wasserstoff mit Luft (hauptsächlich Stickstoff) zu begünstigen, indem der Wasserstoff in kurzer Zeit in dem Anodenzirkulationsströmungskanal zirkuliert wird, wenn der Wasserstoff dem zirkulierenden Gasfluss zugeführt wird, und ist eine Strömungsrate zum Beseitigen eines Konzentrationsgradienten des Wasserstoffs zwischen dem Einlass 12a und dem Auslass 12b des Anodenströmungskanals 12. Ferner hat die ECU 60 die Funktion, die Zirkulationsrate des im Anodensystem zirkulierenden Gases zu steuern/zu regeln, so dass sie zu einer Zirkulationsrate (nachfolgend als „reduzierte Zirkulationsrate“ bezeichnet) wird, die kleiner ist als die Mischbegünstigungsrate, durch Antriebsstopp der Wasserstoffpumpe 27 oder durch Reduzieren der Antriebsdrehzahl davon, wenn ein später beschriebenes Stromerzeugungserlaubnisflag gesetzt wird. Hier ist die reduzierte Zirkulationsrate nicht auf eine bestimmte Rate beschränkt, wenn sie weniger als die Mischbegünstigungsrate ist. Ferner enthält die reduzierte Zirkulationsrate eine Zirkulationsrate in einem Zustand, wo überhaupt keine Zirkulationsmenge des Zirkulationsgases vorhanden ist, ohne die Wasserstoffpumpe 27 anzutreiben (nachfolgend als „Null-Zirkulationsrate“ bezeichnet).
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Übrigens wird in der vorliegenden Ausführung, in Bezug auf die reduzierte Zirkulationsrate, als Beispiel ein Fall beschrieben, worin die Zirkulationsrate Null ist, indem der Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 gestoppt wird. Wenn jedoch eine Möglichkeit eines stöchiometrischen Mangels in einem Zustand besteht, wo die Zirkulationsrate Null ist, kann die Antriebsdrehzahl der Wasserstoffpumpe 27 auch auf eine minimale Zirkulationsrate gesetzt werden, die zum Beseitigen des stöchiometrischen Mangels erforderlich ist, indem die Antriebsdrehzahl der Wasserstoffpumpe 27 reduziert wird.
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Die ECU 60 hat die Funktion, durch kontinuierliches Öffnen des Spülventils 26 eine Startspülung durchzuführen, wenn der vom Drucksensor 28 erfasste Anodendruck höher als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, nachdem das EIN-Signal vom IG 51 erfasst ist. Hier ist eine Spülmenge durch die Startspülung eine Abgabemenge, die zum Abgeben der Luft erforderlich ist, die im Anodenströmungskanal 12 des Brennstoffzellenstapels 10 steht und durch Wasserstoff ersetzt werden soll. Ferner ist es erfindungsgemäß, wie in 2 gezeigt, möglich, die Spülmenge entsprechend der im Timer 52 gemessenen Verweilzeit basierend auf einem Kennfeld, das durch einen Test oder dergleichen vorab erhalten ist, herzuleiten. Da übrigens, wie in 2 gezeigt, die Luft, die im Anodenströmungskanal 12 steht, zunimmt, wenn die Verweilzeit länger wird, wird in Anpassung daran die Startspülmenge erhöht. Wenn in der vorliegenden Ausführung die Startspülung durchgeführt wird, wird das Spülventil 26 kontinuierlich geöffnet, wobei aber die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt ist und das Spülventil 26 auch geöffnet und geschlossen werden kann, wenn eine vorbestimmte Spülmenge gespült werden kann.
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Ferner hat die ECU 60 die Funktion (erste Startspüleinheit und zweite Startspüleinheit) zur Durchführung der Startspülung, indem die Startspülung in eine erste Startspülung und eine zweite Startspülung unterteilt wird. Die erste Startspülung wird durchgeführt, wenn der Anodendruck einen vorbestimmten Druck einnimmt, nachdem das EIN-Signal des IG 51 erfasst worden ist. Der vorbestimmte Druck wird später beschrieben. Ferner ist die Spülmenge durch die erste Startspülung in der Lage, den stöchiometrischen Mangel in der Brennstoffzelle zu beseitigen, und lässt sich gemäß der vom Timer 52 gemessenen Verweilzeit basierend auf dem Kennfeld herleiten, das vorab durch den Test oder dergleichen erhalten wird (s. 2). Übrigens hat die ECU 60 auch eine Funktion (Stromerzeugungserlaubniseinheit) zum Erlauben der Stromerzeugung mit dem Setzen des Stromerzeugungserlaubnisflags, wenn die erste Startspülung abgeschlossen ist. Wenn jedoch, wie in 2 gezeigt, die Verweilzeit kürzer als eine vorbestimmte Zeit T ist, in anderen Worten, wenn die Wasserstoffmenge, die im Anodenströmungskanal 12 des Brennstoffzellenstapels 10 verbleibt, groß ist, während die Luftmenge, die durch den Anodenströmungskanal 12 über die Elektrolytmembran von dem Kathodenströmungskanal 13 hindurchtritt, klein ist, besteht eine geringe Möglichkeit eines stöchiometrischen Mangels, auch wenn die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gestartet wird. Wenn daher die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist, erlaubt die ECU 60 eine Stromerzeugung mit dem Setzen des Stromerzeugungserlaubnisflags, ohne die erste Startspülung durchzuführen.
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Andererseits ist die zweite Startspülung eine solche, die durchgeführt wird, nachdem das Stromerzeugungserlaubnisflag gesetzt worden ist. In der vorliegenden Ausführung wird die zweite Startspülung durchgeführt, wenn eine vorbestimmte Wartezeit abläuft, nachdem das Stromerzeugungserlaubnisflag gesetzt worden ist. Die vorbestimmte Wartezeit wird später beschrieben. Ferner erhält man die Spülmenge der zweiten Startspülung durch Subtrahieren der ersten Startspülmenge von der Gesamtstartspülmenge (s. 2). Übrigens hat die ECU 60 eine Funktion (Druckeinstelleinheit), den Druck in dem Anodenströmungskanal 12 zu reduzieren, indem die Strömungsrate des Wasserstoffs reduziert wird, die von dem ersten Injektor 23A injiziert wird, und dem Anodenströmungskanal 12 zugeführt wird, während die zweite Startspülung durchgeführt wird.
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Nachfolgend wird in Bezug auf die 3 und 4 ein Vorgang beschrieben, wenn die ECU 60 das EIN-Signal (Systemstartsignal) des IG 51 erfasst und das Brennstoffzellensystem 1 hochfährt. Übrigens wird, während des Abschaltens (IG-AUS-Zeit) des Brennstoffzellensystem 1 die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zum Brennstoffzellenstapel 10 gestoppt, und wird die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gestoppt. Ferner wird das Spülventil 26 geschlossen.
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Wenn, wie in 3 gezeigt, die ECU 60 das EIN-Signal das IG 51 erfasst (Start), öffnet die ECU 60 das Absperrventil 22 in Schritt S101 (s. Zeit „t0“ in 4). Da übrigens der erste Injektor 23A zu dieser Zeit geschlossen ist, steht der Wasserstoff in dem Wasserstofftank an einer Position an der stromaufwärtigen Seite des ersten Injektors 23A nach Dekompression durch ein Druckreduzierventil (nicht gezeigt).
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Ferner führt, in Schritt S101, die ECU 60 dem Kathodenströmungskanal 13, durch Aktivieren (Einschalten) der Luftpumpe 31 Luft zu (s. Zeit „t0“ in 4). Übrigens wird in diesem Fall die Luftpumpe 31 mit einer Drehzahl angetrieben, die höher als oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl ist (höher als bei normaler Stromerzeugung), und dient der Zufuhr von mehr Sauerstoff als bei der normalen Stromerzeugung.
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Ferner startet, in Schritt S101 die ECU 60 den Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 (schaltet sie ein) und steuert/regelt die Antriebsdrehzahl der Wasserstoffpumpe 27 auf die Mischbegünstigungsrate (s. Zeit „t0“ in 4). Hierdurch beginnt die Luft, die der Verweilzeit in dem Anodenströmungskanal 12 stehengeblieben ist, im Anodenzirkulationsströmungskanal (dem Anodenströmungskanal 12, einem Teil des Rohrs 26a, den Rohren 27a, 27b und einem Teil des Rohrs 24a) zu zirkulieren.
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Im folgenden Schritt S102 bestimmt die ECU 60, ob eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist oder nicht. Die vorbestimmte Zeit bedeutet übrigens eine Zeit, welche die dem Anodenströmungskanal zirkulierende Luft benötigt, um seit dem Start des Antriebs der Wasserstoffpumpe 27 die Mischbegünstigungsrate zu erreichen, und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt.
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Wenn in Schritt S102 die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Ja), geht sie zu Schritt S103 weiter, und wenn die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit nicht abgelaufen ist (Nein), wiederholt sie den Prozess in Schritt S102.
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In Schritt S103 öffnet die ECU 60 den ersten Injektor 23A. Hierdurch zirkuliert der zugeführte Wasserstoff in dem Anodenzirkulationsströmungskanal, und der Wasserstoff und die Luft beginnen sich miteinander zu vermischen.
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Im folgenden Schritt S104 bestimmt die ECU 60, ob der vom Drucksensor 28 erfasste Anodendruck höher als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist oder nicht. Der vorbestimmte Wert (Solldruck) ist übrigens ein Wert, mit dem sich bestimmen lässt, dass der stöchiometrische Mangel auch dann nicht auftritt, wenn die Stromerzeugung im Brennstoffzellenstapel 10 gestartet wird (auch wenn der vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Strom durch Einschalten des Schaltschützes 44 erhalten wird), und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt.
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Wenn in Schritt S104 die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck niedriger als der vorbestimmte Wert ist (Nein), wartet sie ab, bis der Anodendruck höher als oder gleich dem vorbestimmten Wert wird, während sie den Prozess in Schritt S104 wiederholt. Wenn andererseits die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck höher als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist (Ja), geht sie zu Schritt S105 weiter.
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In Schritt S105 bestimmt die ECU 60, ob die Verweilzeit geringer als oder gleich der vorbestimmten Zeit T ist oder nicht (s. 2).
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Wenn in Schritt S105 die ECU 60 bestimmt, dass die Verweilzeit länger als oder gleich der vorbestimmten Zeit T ist (Ja), geht sie zu Schritt S106 weiter, und wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist (Nein), geht sie zu Schritt S108 weiter. Der Weitergang zu Schritt S108 ist übrigens ein Fall, worin Wasserstoff, der im Anodenströmungskanal des Brennstoffzellenstapels 10 verbleibt, so viel ist, dass keine Möglichkeit besteht, dass ein stöchiometrischer Mangel auftritt, auch dann, wenn die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gestartet wird.
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In Schritt S106 führt die ECU 60 die erste Startspülung durch kontinuierliches Öffnen des Spülventils 26 durch (s. Zeit „t1“ in 4). Hierdurch wird, von der gesamten Spülmenge der Startspülung, die Spülmenge der ersten Startspülung abgeführt. Selbst wenn das Spülventil 26 in diesem Fall geöffnet ist, besteht keine Möglichkeit, dass Wasserstoff mit hoher Konzentration zur Außenseite des Fahrzeugs abgeführt wird, weil die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher ist als jene bei normaler Stromerzeugung, und mehr Sauerstoff zugeführt wird als bei der normalen Stromerzeugung (s. Schritt S101).
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Im folgenden Schritt S107 bestimmt die ECU 60, ob die erste Startspülung durch Spülung einer vorbestimmten Spülmenge abgeschlossen ist oder nicht. Ob die vorbestimmte Spülmenge gespült worden ist oder nicht, kann zum Beispiel basierend auf der Öffnungszeit des Spülventils 26 oder dergleichen bestimmt werden.
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Wenn in Schritt S107 die ECU 60 bestimmt, dass die erste Spülung nicht abgeschlossen ist (Nein), kehrt sie zum Prozess in Schritt S107 zurück, und wenn die ECU 60 bestimmt, dass die erste Spülung abgeschlossen ist (Ja), geht sie zu Schritt S108 weiter.
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In Schritt S108 setzt die ECU 60 das Stromerzeugungserlaubnisflag (s. Zeit „t2“ in 4). Übrigens wird zu dieser Zeit nur die erste Startspülung durchgeführt, und es wird nicht die gesamte von der Startspülung abzugebende Spülmenge abgeführt, aber da bereits neues Brenngas zum Anodenströmungskanal 12 des Brennstoffzellenstapels 10 verteilt worden ist, besteht keine Möglichkeit, dass ein stöchiometrischer Mangel auftritt, auch wenn die Stromerzeugung nach Abschluss der ersten Startspülung gestartet wird.
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Dann schaltet die ECU 60 in Schritt S109 das Schaltschütz 44 ein, (verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit den externen Lasten), und startet die Stromerzeugung vom Brennstoffzellenstapel. Ferner sorgt die ECU 60 in Schritt S109 dafür, dass die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher als oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl bleibt (höher als bei der normalen Stromerzeugung), und führt mehr Sauerstoff zu als bei normaler Stromerzeugung (s. Zeit „t2“ in 4). Ferner stoppt die ECU 60 in Schritt S109 den Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 (s. Zeit „t2“ in 4). Darüber hinaus startet die ECU 60 die Zufuhr einer Menge entsprechend der Last durch PWM-Steuerung für den ersten Injektor 23A.
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In Schritt S110 bestimmt die ECU 60, ob seit dem Antriebsstopp der Wasserstoffpumpe 27 eine vorbestimmte Wartezeit abgelaufen ist oder nicht. Die vorbestimmte Wartezeit ist übrigens eine Zeit, die erforderlich ist, damit die Zirkulationsrate des im Anodenzirkulationsströmungskanal zirkulierenden Gases die von der Mischbegünstigungsrate reduzierte Zirkulationsrate einnimmt, seit der Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 gestoppt ist oder die Reduktion der Antriebsdrehzahl begonnen hat, und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt. Falls der Antrieb der Wasserstoffpumpe 27 gestoppt wird, wie in der vorliegenden Ausführung, ist die vorbestimmte Wartezeit eine Zeit, welche erforderlich ist, damit die Zirkulationsrate Null wird.
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Wenn in Schritt S110 die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Wartezeit nicht abgelaufen ist (Nein), kehrt sie zum Prozess von Schritt S110 zurück, und wenn die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Ja), geht sie zu Schritt S111 weiter.
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Ferner bewirkt die ECU 60 in Schritt S111 die zweite Startspülung durch kontinuierliches Öffnen des Spülventils 26 (s. Zeit „t3“ in 4). Hier ist die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases seit der Durchführung der zweiten Startspülung eine reduzierte Zirkulationsrate, welche sie kleiner ist als die Mischbegünstigungsrate (in der vorliegenden Ausführung ist die Zirkulationsrate Null), und ist in einem Zustand, wo viel Gas abgeführt werden kann, wenn das Spülventil 26 geöffnet ist. Daher wird die zweite Startspülung in einem Zustand durchgeführt, wo die Spülwirkung höher ist als bei der ersten Startspülung. Übrigens ist in Schritt S111 das Spülventil 26 offen, aber weil die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher ist als bei normaler Stromerzeugung (s. Schritt S109), wird niemals hochkonzentrierter Wasserstoff zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben.
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Ferner reduziert in Schritt S111 die ECU 60 die vom ersten Injektor 23A zugeführte Wasserstoffmenge und senkt den Anodendruck. Hierdurch wird es möglich, die Reinigungswirkung der zweiten Startspülung zu verbessern.
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Im folgenden Schritt S112 bestimmt die ECU 60, ob die zweite Startspülung der vorbestimmten Spülmenge abgeschlossen ist oder nicht. Ob die zweite Startspülung abgeschlossen ist, kann zum Beispiel basierend auf der Ventilöffnungsseite des Spülventils 26 oder dergleichen bestimmt werden.
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Wenn in Schritt S112 die ECU 60 bestimmt, dass die zweite Spülung abgeschlossen ist (Ja), geht sie zu Schritt S113 weiter, und wenn die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit nicht abgelaufen ist (Nein), wiederholt sie den Prozess in Schritt S112.
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In Schritt S113 stoppt die ECU 60 die Wasserstoffpumpe 27 (hält sie in der vorliegenden Ausführung im Stoppzustand) und steuert den Antrieb der Luftpumpe 31 und des ersten Injektors 23A auf den normalen Zustand. Hierdurch startet die ECU 60 die Zufuhr in einer Menge entsprechend der Last (s. Zeit „t4“ in 4), und führt die normale Stromerzeugung aus (Ende).
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Wie oben beschrieben, führt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung die Startspülung aus, indem sie die Startspülung in die erste Startspülung und die zweite Startspülung unterteilt, während die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases eingestellt wird, und wodurch es möglich wird, sowohl eine Verbesserung der Reinigungswirkung zu erreichen als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern.
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Ferner startet das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle nach Abschluss der ersten Startspülung, wodurch es möglich wird, die Zeit zu verkürzen, bis ab dem Systemstart Strom geliefert wird.
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Ferner verwendet das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung die Wasserstoffpumpe 27 zum Einstellen der Zirkulationsrate des Zirkulationsgases, wodurch sich die Zirkulationsrate des Gases leicht auf die Mischbegünstigungsrate einstellen lässt.
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Oben ist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist es nicht auf die in der ersten Ausführung beschriebenen Beispiele beschränkt. In der vorliegenden Ausführung wird, vor der Ausführung der zweiten Startspülung, die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auf die von der Mischbegünstigungsrate reduzierte Zirkulationsrate reduziert (s. „t2“, „t3“ in 4), aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in 5 gezeigt, die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases auch auf die von der Mischbegünstigungsrate reduzierte Zirkulationsrate während der zweiten Startspülung reduziert werden (s. „t3 bis t4“ in 5). Dieses modifizierte Beispiel kann auch die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases während der zweiten Startspülung reduzieren, um hierdurch die zweite Startspülung in einem Zustand durchzuführen, wo die Spülwirkung hoch ist.
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Ferner wird in der ersten Ausführung die Zirkulationsrate während der zweiten Startspülung auf die reduzierte Zirkulationsrate gesetzt, welche eine konstante Rate ist, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Zum Beispiel wird gemäß dem in 5 gezeigten modifizierten Beispiel die Wasserstoffkonzentration erhöht, indem die zweite Startspülung durchgeführt wird (s. „t3 bis t4“ in 5), aber sie kann auch so konfiguriert sein, dass sie die Antriebsdrehzahl der Wasserstoffpumpe 27 allmählich reduziert, wenn die Wasserstoffkonzentration zunimmt. Hierdurch wird es, zusätzlich zur Verbesserung der Spülwirkung, möglich, die Stöchiometrie sicherzustellen, während der Stromverbrauch einhergehend mit dem Antrieb der Wasserstoffpumpe reduziert wird.
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In dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung ist ein Fall beschrieben worden, worin die Zirkulationsgasrate durch die Wasserstoffpumpe 27 eingestellt wird.
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Nachfolgend wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführung beschrieben, die einen Ejektor 24 enthält und die Zirkulationsgasrate durch den ersten Injektor 23A einstellt.
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(Zweite Ausführung)
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Zuerst wird die Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1a gemäß der zweiten Ausführung in Bezug auf 6 beschrieben. Wie in 6 gezeigt, hat das Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung die Wasserstoffpumpe 27 und die Rohre 27a und 27b nicht. Stattdessen ist ein Zirkulationskanal (Rohr 25a und Rohr 25b), das ein Teil (23a, 24a) des Brenngaszufuhrkanals und ein Teil (Rohr 26a) des Brenngasabführkanals verbindet, und der Ejektor 24 ist an dem Verbindungspunkt davon vorgesehen. Nachfolgend werden die Details beschrieben.
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Der Ejektor 24 ist an dem Verbindungspunkt zwischen dem Rohr 24b und dem Brenngaszufuhrkanal (23a, 24a) vorgesehen. Der Ejektor 24 enthält eine Düse 24b zum Erzeugen eines Unterdrucks durch Auswerfen von Wasserstoff (Wasserstoff vom ersten Injektor 23A) und einen Diffusor 24c, der den Wasserstoff in dem Anodenabgas (Brennabgas) vermischt, das durch den Unterdruck im Rohr 25a und Rohr 25b angesaugt wird, und leitet das Mischgas zum Rohr 24a (Anodenströmungskanal 12). Ferner wird das Anodenabgas, das den vom Anodenströmungskanal 12 abgeführten, nicht verbrauchten Wasserstoff enthält, durch den Ejektor 24 zirkuliert. Darüber hinaus ist in der Mitte des Zirkulationskanals (Rohr 25a und Rohr 25b) ein Rückschlagventil 25 vorgesehen, um einen Rückwärtsfluss des Anodenabgases zu verhindern. Ferner ist am Rohr 26a ein Gasflüssigkeitsseparator (nicht gezeigt) vorgesehen, um im Anodenabgas mitgenommenes flüssiges Wasser abzutrennen.
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Ferner ist das Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung mit einem Bypasszufuhrkanal (22b, 23b) versehen, der von einem Teil (22a) des Brenngaszufuhrkanals abzweigt und den ersten Injektor 23A und den Ejektor 24 umgeht, zur Verbindung mit einem Teil (24a) des Brenngaszufuhrkanals, sowie einen zweiten Injektor 23B, der an den Bypasszufuhrkanal angeordnet ist. Übrigens ist der zweite Injektor 23B gemäß der vorliegenden Ausführung vom gleichen Typ (mit der gleichen Leistung) wie der erste Injektor 23A, wobei aber in der vorliegenden Erfindung der zweite Injektor 23B darauf nicht beschränkt ist, sondern auch ein solcher sein könnte, der Wasserstoff mit einer größeren Strömungsrate als der erste Injektor 23A injizieren kann.
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Ferner ist die ECU 60a ein Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung so konfiguriert, dass sie den gleichen Prozess wie die ECU 60 in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführung durchführt. Jedoch ist, in Bezug auf eine Funktion (Zirkulationsrateneinstelleinheit), welche eine Zirkulationsrate vom Zirkulationsgas einstellt, die ECU 60a konfiguriert, um die folgenden Prozesse auszuführen.
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Die ECU 60a hat eine Funktion zum Steuern/Regeln der Zirkulationsrate des im Anodenzirkulationsströmungskanal zirkulierenden Gases so, dass sie zur Mischbegünstigungsrate wird, durch Antrieb des ersten Injektors 23A, wenn die ECU 60a das EIN-Signal des IG 51 erfasst hat. Ferner hat die ECU 60A eine Funktion zum Stoppen des Antriebs des ersten Injektors 23A, wenn die ECU 60a erfasst hat, dass das Stromerzeugungserlaubnisflag gesetzt ist. Ferner hat die ECU 60a eine Funktion zum Antreiben des zweiten Injektors 23B, wenn die zweite Startspülung durchgeführt wird.
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Nachfolgend wird in Bezug auf die 7 und 8 ein Betrieb beschrieben, wenn die ECU 60a das EIN-Signal des IG 51 erfasst und das Brennstoffzellensystem 1a hochfährt.
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Wenn, wie in 7 gezeigt, die ECU 60a das EIN-Signal des IG 51 erfasst (START), öffnet die ECU 60a in Schritt S201 das Absperrventil 22 und führt dem Kathodenströmungskanal 13 durch Antrieb der Luftpumpe 31 (Einschalten) Luft zu. Übrigens wird in diesem Fall die Luftpumpe 31 mit einer Drehzahl angetrieben, die höher als oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl ist (höher als bei normaler Stromerzeugung), und dient zum Zuführen von mehr Sauerstoff als bei normaler Stromerzeugung.
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Ferner startet in Schritt S201 die ECU 60a den Antrieb des ersten Injektors 23a (schaltet diesen ein). Übrigens führt die ECU 60a die PWM-Regelung durch, so dass die Zirkulationsrate des im Anodenzirkulationsströmungskanal zirkulierenden Gases zur Mischbegünstigungsrate wird, und justiert die vom ersten Injektor 23A zugeführte Wasserstoffmenge.
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Im folgenden Schritt S202, bestimmt die ECU 60a, ob eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist oder nicht. Diese vorbestimmte Zeit ist hier eine solche, welche die Anodenströmungskanal zirkulierende Luft benötigt, um die Mischbegünstigungsrate seit dem Antriebsstart des ersten Injektors 23A zu erreichen, und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt.
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Wenn die ECU 60a in Schritt S202 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Ja), geht sie zu Schritt S203 weiter, und wenn die ECU 60a bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit nicht abgelaufen ist (Nein), wiederholt sie den Prozess in Schritt S202.
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In Schritt S203 steuert die ECU 60a den Antriebsbetrag des ersten Injektors 23A und erhöht die zuzuführende Wasserstoffmenge, so dass der Anodendruck vom Brennstoffzellenstapel 10 einen vorbestimmten Wert einnimmt. Übrigens ist der vorbestimmte Wert (Solldruck) ein Druck, der erforderlich ist, um den Wasserstoffkonzentrationsgradienten zwischen dem Einlass 12a und dem Auslass 12b des Anodenströmungskanals 12 zu beseitigen, und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt.
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Im folgenden Schritt S204 bestimmt die ECU 60a, ob der vom Drucksensor 28 erfasste Anodendruck höher als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist oder nicht.
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Wenn in Schritt S204 die ECU 60a bestimmt, dass der Anodendruck niedriger als der vorbestimmte Wert ist (Nein), wartet sie ab, bis der Anodendruck höher als oder gleich dem vorbestimmten Wert wird, während sie den Prozess in Schritt S204 wiederholt. Wenn andererseits die ECU 60a bestimmt, dass der Anodendruck höher als oder gleich dem vorbestimmten Wert ist (Ja), geht sie zu Schritt S205 weiter.
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In Schritt S205 bestimmt die ECU 60a, ob die Verweilzeit länger als oder gleich einer vorbestimmten Zeit T ist oder nicht.
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Wenn in Schritt S205 die ECU 60a bestimmt, dass die Verweilzeit länger als oder gleich der vorbestimmten Zeit T ist (Ja), geht sie zu Schritt S206 weiter, und wenn die ECU 60a bestimmt, dass die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist (Nein), geht sie zu Schritt S208 weiter.
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In Schritt S206 öffnet die ECU 60 das Spülventil 26 kontinuierlich und führt die erste Startspülung aus. Selbst wenn das Spülventil 26 in diesem Fall geöffnet ist, besteht keine Möglichkeit, dass hochkonzentrierter Wasserstoff zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben wird, weil die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher als bei normaler Stromerzeugung ist, und mehr Sauerstoff zugeführt wird als bei normaler Stromerzeugung (s. S201).
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Im folgenden Schritt S207 bestimmt die ECU 60a, ob die erste Startspülung die Spülung einer vorbestimmten Menge abgeschlossen ist oder nicht.
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Wenn in Schritt S207 die ECU 60a bestimmt, dass die erste Startspülung nicht abgeschlossen wurde (Nein), kehrt sie zum Prozess in Schritt S207 zurück, und wenn die ECU 60a bestimmt, dass die erste Startspülung abgeschlossen wurde (Ja), geht sie zu Schritt S208 weiter.
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In Schritt S208 setzt die ECU 60a das Stromerzeugungserlaubnisflag.
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In Schritt S209 schaltet die ECU 60a das Schaltschütz 44 ein, verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit den externen Lasten und startet die Stromerzeugung von der Brennstoffzelle 10. Ferner sorgt die ECU 60 in Schritt S209 dafür, dass die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher bleibt als bei der normalen Stromerzeugung. Ferner stoppt in Schritt S209 die ECU 60a den Antrieb des Injektors 23A und reduziert die Zirkulationsrate im Anodenzirkulationsströmungskanal auf die reduzierte Zirkulationsrate.
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Im folgenden Schritt S210 bestimmt die ECU 60, ob eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist oder nicht. Übrigens ist diese vorbestimmte Zeit eine solche, die erforderlich ist, damit die Zirkulationsrate im Anodenströmungskanal zur Mischbegünstigungsrate wird, da der Antrieb des ersten Injektors 23A gestoppt ist, und wird basierend auf einem Test oder dergleichen vorab bestimmt.
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Wenn die ECU 60a in Schritt S210 bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit nicht abgelaufen ist (Nein), kehrt sie zum Prozess in Schritt S210 zurück, und wenn die ECU 60a bestimmt, dass die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist (Ja), geht sie zu Schritt S211 weiter.
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Ferner öffnet die ECU 60 in Schritt S211 kontinuierlich das Spülventil 26 und führt die zweite Startspülung durch. Da hier die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases die reduzierte Zirkulationsrate ist, die kleiner ist als die Mischbegünstigungsrate, während der Durchführung der ersten Startspülung, wird die zweite Startspülung in einem Zustand durchgeführt, wo die Spülwirkung höher ist als bei der ersten Startspülung. Selbst wenn das Spülventil 26 in diesem Fall offen ist, besteht keine Möglichkeit, dass hochkonzentrierter Wasserstoff zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben wird, weil die Antriebsdrehzahl der Luftpumpe 31 höher ist als bei normaler Stromerzeugung.
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Im folgenden Schritt S212 bestimmt die ECU 60a, ob die zweite Startpülung abgeschlossen ist oder nicht, d.h., ob seit dem Öffnen des Spülventils 26 eine vorbestimmte Gasmenge gespült worden ist. Ob die vorbestimmte Gasmenge gespült worden ist oder nicht, kann zum Beispiel basierend auf der Ventilöffnungszeit des Spülventils 26 oder dergleichen bestimmt werden.
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Wenn in Schritt S212 die ECU 60a bestimmt, dass die zweite Startspülung abgeschlossen wurde (Ja), geht sie zu Schritt S213 weiter, und wenn die ECU 60a bestimmt, dass die zweite Startspülung nicht abgeschlossen wurde (Nein), wiederholt sie den Prozess in Schritt S212.
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In Schritt S213 steuert/regelt die ECU 60a die Antriebszustände der Luftpumpe 31, des ersten Injektors 23A und des zweiten Injektors 23B auf die Normalzustände, startet die Zufuhr einer Menge entsprechend der Last (s. „t4“ in 4) und führt die normale Stromerzeugung durch (Ende).
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Wie oben beschrieben, führt das Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung die Startspülung durch, indem sie die Startspülung in die erste Startspülung und die zweite Startspülung unterteilt, während die Zirkulationsrate des Zirkulationsgases durch Steuern/Regeln des Antriebs des ersten Injektors 23A eingestellt wird, wodurch es möglich wird, sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung zu erreichen als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung auch die Zeit seit dem Systemstart bis zur Stromlieferung verkürzen.
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Das Brennstoffzellensystem 1a gemäß der zweiten Ausführung, das den ersten Injektor 23A, den zweiten Injektor 23B und den Ejektor 24 enthält, ist oben beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann durch Hinzufügen der Wasserstoffpumpe 27 und des Zirkulationskanals (27a, 27b), die in der ersten Ausführung (s. 1) beschrieben wurden, zur Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1a gemäß der zweiten Ausführung, die ECU 60a auch so konfiguriert sein, dass sie die Zirkulationsrate durch Ansteuern der Antriebe des ersten Injektors 23A und der Wasserstoffpumpe 27 einstellt.
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Wenn ferner in den Ausführungen die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist, ist das Brennstoffzellensystem so ausgeführt, dass es die erste Startspülung nicht durchführt, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Wenn zum Beispiel das Brennstoffzellensystem so konfiguriert ist, dass es eine Spülung ausführt, d.h. wenn die Spülung auch dann ausgeführt wird, wenn die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist, könnte noch Luft in dem Anodenströmungskanal 12 des Brennstoffzellenstapels 10 vorhanden sein. Wenn daher die ECU bestimmt, dass die Spülung durchgeführt worden ist, könnte das Brennstoffzellensystem die erste Startspülung durchführen, unabhängig davon, ob die Verweilzeit kürzer als die vorbestimmte Zeit T ist oder nicht.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das sowohl eine Verbesserung der Spülwirkung erlaubt als auch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert, sowie ein Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Zirkulationsrateneinstelleinheit, die eine Zirkulationsrate von durch den Brennabgaszirkulationskanal zirkulierendem Gas durch Steuern/Regeln eines Antriebsbetrags der Zirkulationsvorrichtung einstellt; eine erste Startspüleinheit, die eine erste Startspülung durch Öffnen des Spülventils in einem Zustand ausführt, wo die Zirkulationsrate des zirkulierenden Gases durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit auf eine Mischbegünstigungsrate erhöht ist, die in der Lage ist, eine Vermischung des Brenngases mit dem Zirkulationsgas zu begünstigen; und eine zweite Startspüleinheit, die eine zweite Startspülung durch Öffnen des Spülventils in einem Zustand ausführt, wo nach der ersten Startspülung die Gaszirkulationsrate durch die Zirkulationsrateneinstelleinheit auf weniger als die Mischbegünstigungsrate reduziert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1a
- Brennstoffzellensystem
- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 23A
- erster Injektor (Zirkulationsvorrichtung)
- 23B
- zweiter Injektor
- 21a, 22a, 23a, 24a
- Rohr (Brenngaszufuhrkanal)
- 26a
- Rohr (Brennabgasabführkanal)
- 25a, 25b
- Rohr (Brennabgaszirkulationskanal)
- 27a, 27b
- Rohr (Brennabgaszirkulationskanal
- 24
- Ejektor
- 26
- Spülventil
- 27
- Wasserstoffpumpe (Zirkulationsvorrichtung)
- 28
- Luftpumpe
- 60, 60a
- ECU (Steuervorrichtung)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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