DE102015118814A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Yoshiaki Naganuma
Tomohiro Ogawa
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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das die Ansammlung von Verunreinigungen in einem Wasserstoffsystem verhindern kann, selbst wenn eine Wasserstoffpumpe stoppt. Ein Brennstoffzellensystem 100 hat eine Wasserstoffpumpe 4, die in einem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 angeordnet ist und ein von der Auslassseite einer Wasserstoffelektrode 1a einer Brennstoffzelle ausgegebenes Wasserstoffabgas einer Einlassseite der Wasserstoffelektrode 1a zuführt, ein Auslassventil 61, durch das in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 fließendes Wasserstoffabgas aus dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 ausgetragen wird, einen Bestimmungsabschnitt 81, der feststellt, ob die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt ist, und eine Steuereinheit 80, die das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 steuert. Wenn der Bestimmungsabschnitt 81 feststellt, dass die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt wurde, steuert die Steuereinheit 80 das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61, um die Austragmenge des durch das Auslassventil 61 ausgetragenen Wasserstoffabgases derart zu erhöhen, dass sie größer ist als die Austragmenge des basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, ausgetragenen Wasserstoffabgases.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem, das bei einem Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen zur Anwendung kommt, ist bekannt. Das Brennstoffzellensystem ist ein System, das hauptsächlich einen Brennstoffzellenstapel als Haupteinheit, der eine Anodenelektrode, die mit Wasserstoff als Brenngas versorgt wird, und eine Kathodenelektrode, die mit Luft versorgt wird, einen Tank zum Speichern von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, das der Anodenelektrode zugeführt werden soll, und einen Wasserstoffzirkulationsmechanismus (eine Wasserstoffpumpe) umfasst, um Abgas, das unverbrauchtes Brenngas enthält, zur Anode zurückzuführen. In dem Brennstoffzellenstapel reagieren Wasserstoff und Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, um Leistung bzw. Strom zu erzeugen.
  • Es ist bekannt, dass, wenn die Reaktion in der Brennstoffzelle voranschreitet, Stickstoff im Kathodengas (Luft) oder Waser, das durch die Reaktion erzeugt wird, von der Kathodenelektrode durch eine Elektrolytmembran zur Anodenelektrode sickert. Dies erhöht den Partialdruck des Stickstoffs und dergleichen (nachfolgend kollektiv als „Verunreinigungen” bezeichnet) an der Anodenelektrode und die Konzentration von Brenngas (Wasserstoff) nimmt ab, wodurch die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle ungewollt schlechter wird.
  • Daher wird in einem Brennstoffzellensystem mit dem vorstehend genannten Wasserstoffzirkulationsmechanismus oder dergleichen grundsätzlich ein Auslassventil, das in einem Auslassströmungspfad auf Seiten der Anodenelektrode (nachfolgend auch als „Wasserstoffsystem” bezeichnet) vorgesehen ist, geöffnet, um unverbrauchten Wasserstoff oder ein Verunreinigungen enthaltendes Gas auszutragen. Beispielsweise beschreibt Patentdokument 1 ein System, bei dem die Konzentration an Verunreinigungen im Wasserstoffsystem auf Basis des Drucks des Wasserstoffsystems der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffpartialdruck im Wasserstoffsystem geschätzt wird, und ein Auslassventil entsprechend einer geschätzten Menge an Verunreinigungen geöffnet wird, wodurch Wasserstoffabgas (unverbrauchter Wasserstoff oder ein Verunreinigungen enthaltendes Gas, das von der Anodenelektrode ausgegeben wird) ausgetragen wird.
  • DRUCKSCHRIFTENLISTE
  • Patentdokumente
    • Patentdokument 1: JP 2005-327597 A
  • Die Verunreinigungen, die üblicherweise in dem Wasserstoffsystem zulässig sind, werden ausgehend von der Annahme bestimmt, dass der vorstehend genannte Wasserstoffzirkulationsmechanismus in Betrieb ist. Es besteht die Gefahr, dass, wenn der Wasserstoffzirkulationsmechanismus beispielsweise aufgrund von Gefrieren stoppt, sich Verunreinigungen in dem Auslassströmungspfad des Wasserstoffsystems ansammeln. Dies führt zu dem Problem, dass die Ansammlung von Verunreinigungen die Strömung des aus der Brennstoffzelle auszutragenden Gases blockiert, was zu einer ungleichmäßigen Stromerzeugung in den Zellenflächen der Brennstoffzelle führt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde ausgehend von dem vorstehend geschilderten Problem gemacht, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellesystem zu schaffen, das die Ansammlung von Verunreinigungen in einem Wasserstoffsystem verhindern kann, selbst wenn eine Wasserstoffpumpe stoppt.
  • In diesem Zusammenhang ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die mit Brenngas und Oxidationsgas an einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode versorgt wird, um Leistung bzw. Strom zu erzeugen, aufweisend: eine Wasserstoffpumpe, die in einem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad angeordnet ist, um ein von einer Auslassseite einer Wasserstoffelektrode ausgegebenes Wasserstoffabgas einer Einlassseite der Wasserstoffelektrode zuzuführen; ein Auslassventil, durch das in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad fließendes Wasserstoffabgas aus dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad ausgetragen wird; einen Bestimmungsabschnitt, der feststellt, ob die Wasserstoffpumpe gestoppt ist; und eine Steuereinheit, die das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert, wobei, wenn der Bestimmungsabschnitt feststellt, dass die Wasserstoffpumpe gestoppt hat, die Steuereinheit das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil derart zu erhöhen, dass sie größer wird als die Austragmenge des basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe in Betrieb ist, ausgetragenen Wasserstoffabgases.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem steuert die Steuereinheit, wenn der Bestimmungsabschnitt feststellt, dass die Wasserstoffpumpe gestoppt hat, das Öffnen/Schließen des Auslassventils, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil derart zu erhöhen, dass sie größer ist als die Austragmenge des basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe in Betrieb ist, ausgetragenen Wasserstoffabgases. Wenn die Wasserstoffpumpe stoppt, neigen Verunreinigungen dazu, sich in einem Auslassströmungspfad (z. B. dem Leitungssystem auf der stromabwärtigen Seite einer Brennstoffzelle) eines Wasserstoffsystems zu sammeln. In einer derartigen Situation kann somit die Austragmenge des Wasserstoffabgases derart erhöht werden, dass sie größer ist als die Austragmenge des Wasserstoffabgases wenn die Wasserstoffpumpe in Betrieb ist. Daher kann die Ansammlung von Verunreinigungen in beispielsweise dem Leitungssystem auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle verhindert werden, wodurch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert werden kann.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinheit das Öffnen/Schließen des Auslassventils vorzugsweise, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil entsprechend einem Ausgabewert der Brennstoffzelle oder einem der Brennstoffzelle zugeführten benötigten Wert zu erhöhen.
  • Gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung wird die Austragmenge des Wasserstoffabgases entsprechend einem Ausgabewert der Brennstoffzelle oder einem der Brennstoffzelle zugeführten benötigten Wert erhöht. Wenn der Ausgabewert der Brennstoffzelle oder der der Brennstoffzelle zugeführte benötigte Wert ansteigen, steigt die Menge an Verunreinigungen an. Daher kann die Ansammlung von Verunreinigungen in dem Leitungssystem auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle durch das vorstehend beschriebene Erhöhen der Austragmenge des Wasserstoffabgases verhindert werden.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, mit dem die Ansammlung von Verunreinigungen in einem Wasserstoffsystem selbst dann unterdrückt werden kann, wenn eine Wasserstoffpumpe stoppt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
  • 1 zeigt ein Systemblockschaubild, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm, das die Steuerung des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems zeigt.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit der nachfolgend dargestellten bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, kann die vorliegende Erfindung unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, und kann anhand anderer Ausführungsformen als der vorliegenden Ausführungsform umgesetzt werden. Alle Abwandlungen, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, gelten daher als von den beigefügten Ansprüchen umfasst.
  • (Brennstoffzellensystem)
  • Zunächst wird der Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt ein Systemblockschaubild, das den Aufbau des Brennstoffzellensystems zeigt.
  • Ein Brennstoffzellensystem 100 ist ein System, das an einem Brennstoffzellenautomobil (nachfolgend auch einfach als „das Fahrzeug” bezeichnet) montiert ist, und führt verschiedene Steuerungen hinsichtlich einer Brennstoffzelle (eines Brennstoffzellenstapels) 1 aus. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 die Brennstoffzelle 1, einen Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad 2a, ein Zufuhrventil 21, einen Druckanzeiger bzw. ein Manometer 22, einen Oxidationsgaszufuhrströmungspfad 2b, einen Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3, eine Wasserstoffpumpe 4, einen Auslassströmungspfad 6, ein Auslassventil 61, einen Strömungsmesser 62, einen Detektor 70, eine Steuereinheit 80, einen Bestimmungsabschnitt 81, ein Stromkabel 51 sowie einen Stromsensor 52.
  • Die Brennstoffzelle 1 besteht aus einem Stapel von Einheitszellen. Jede der Einheitszellen besteht aus Elektroden, die aus porösen Membranen oder dergleichen gebildet sind, welche die Diffusion von Gasen ermöglichen, und auf beiden Seitenflächen einer Elektrolytmembran 1c ausgebildet sind, wobei sich leitfähige Separatoren zwischen diesen Schichten befinden. Es kann eine Ausgangsspannung basierend auf der Zahl der gestapelten Schichten abgegriffen werden. Zur leichteren Erläuterung zeigt die Zeichnung nur den Aufbau der Einheitszelle mit einer Anodenelektrode (Wasserstoffelektrode) 1a und einer Kathodenelektrode (Sauerstoffelektrode 1b), die an den Flächen einer Elektrolytmembran 1c ausgebildet sind. Wie dargestellt ist, wird der Wasserstoffelektrode 1a vom Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad 2a Wasserstoff (ein Brenngas) zugeführt, während der Sauerstoffelektrode 1b vom Oxidationsgaszufuhrströmungspfad 2b Luft (ein Oxidationsgas) zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 1 wird somit mit Brenngas und Oxidationsgas versorgt und erzeugt Strom bzw. Leistung. Die Spannung der durch die Brennstoffzelle 1 erzeugten Leistung wird durch das Stromkabel 51 beispielsweise an einen Inverter bzw. Wechselrichter geleitet, der einen Strom basierend auf einem Solldrehmoment oder dergleichen an Motoren zum Fahren des Fahrzeugs, verschiedene Arten von Hilfsaggregaten, die im Fahrzeug montiert sind, oder Batterien, die Sekundärbatterien bzw. Akkus zum Zuführen von Leistung zu den Hilfsaggregaten darstellen ausgibt (all diese Vorrichtungen werden kollektiv als „Last 53” bezeichnet).
  • Der Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad 2a ist ein Strömungspfad zum Zuführen von Wasserstoff zur Einlassseite der Wasserstoffelektrode 1a der Brennstoffzelle 1 wie vorstehend beschrieben. Der Oxidationsgaszufuhrströmungspfad 2b ist ein Strömungspfad zum Zuführen von Luft zur Einlassseite der Sauerstoffelektrode 1b.
  • Der Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 ist ein Strömungspfad zum Zirkulieren bzw. Umwälzen von Wasserstoffgas von der Auslassseite der Wasserstoffelektrode 1a zur Einlassseite desselben. Der Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 hat eine Wasserstoffpumpe 4. Ferner ist der Auslassströmungspfad 6 mit dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 verbunden, um Gas, das im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 fließt und Verunreinigung oder dergleichen enthält, aus dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 auszutragen.
  • Die Wasserstoffpumpe 4 ist eine Vorrichtung, die Gas mit Verunreinigung oder dergleichen, das von der Auslassseite der Wasserstoffelektrode 1a ausgegeben wurde und durch den Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 gelangt ist, unter Druck der Einlassseite der Wasserstoffelektrode 1a zuführt. In anderen Worten: die Wasserstoffpumpe 4 ist eine Vorrichtung, die das Gas mit den Verunreinigungen oder dergleichen, das im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 fließt, von der Auslassseite der Wasserstoffelektrode 1a zur Einlassseite desselben zirkuliert. Die Wasserstoffpumpe 4 kann jede denkbare Vorrichtung sein, solange diese Vorrichtung die Funktion zum Zirkulieren eines Gases im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 hat, und kann aus verschiedenen Arten von Pumpen ausgewählt werden.
  • Der Auslassströmungspfad 6 ist ein Strömungspfad, der mit dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 kommuniziert, um das Verunreinigungen oder dergleichen enthaltende Gas, das im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 fließt, aus dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 auszutragen. Der Auslassströmungspfad 6 hat das Auslassventil 61 sowie den Strömungsmesser 62. Das Auslassventil 62 und der Strömungsmesser 62 werden später im Detail beschrieben. Der Strömungsmesser 62 kann jedoch weggelassen werden.
  • Die verschiedenen Arten von Sensoren und Ventilen, welche das Brennstoffzellensystem 100 bilden, werden nun beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, hat der Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad 2a das Zufuhrventil 21 und das Manometer bzw. den Druckanzeiger 22.
  • Das Zufuhrventil 21 ist ein Ventil zum Regeln der Durchflussmenge von Wasserstoff (der Menge an Wasserstoff), der der Wasserstoffelektrode 1a zugeführt werden soll. Das Zufuhrventil 21 wird durch ein Steuersignal S1 von der Steuereinheit 80 gesteuert, um dessen Öffnungsbetrag zu regeln.
  • Der Druckanzeiger 22 ist eine Vorrichtung, die den Druck in dem Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad 2a erfasst, das bedeutet, den Druck an der Anodenelektrode 1a der Brennstoffzelle 1. In anderen Worten: der Druckanzeiger 22 hat eine Funktion zum Ermitteln des Drucks auf Seiten der Anodenelektrode (dem Wasserstoffsystem) der Brennstoffzelle. Ein Signal S2, das einem Druck entspricht, der vom Druckanzeiger 22 erfasst wird, wird an die Steuereinheit 80 ausgegeben.
  • Das Stromkabel 51 ist mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Das Stromkabel 51 hat den Stromsensor 52. Der Stromsensor 52 ist ein Sensor zum Erfassen des Stromwerts der durch die Brennstoffzelle 1 erzeugten Leistung. Ein Signal S5, das dem Stromwert entspricht, der durch den Stromsensor 52 erfasst wird, wird an die Steuereinheit 80 ausgegeben. Das Ausgabesignal S5 des Stromsensors 52 entspricht der Menge an Leistung, die durch die Brennstoffzelle 1 erzeugt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform steuert die Steuereinheit 80, die später beschrieben wird, das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61, um die Austragmenge (Entlüftungshäufigkeit) des Wasserstoffabgases, das durch das Auslassventil 61 ausgetragen wird, entsprechend dem Stromwert der Brennstoffzelle 1 zu erhöhen.
  • Alternativ kann der Ausgabewert der Brennstoffzelle 1 durch die Steuereinheit 80 basierend auf dem Stromwert, der vom Stromsensor 52 erfasst wird, berechnet werden, und die Steuereinheit 80 kann das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 steuern, um die Austragmenge (Entlüftungshäufigkeit) des durch das Auslassventil 61 ausgetragenen Wasserstoffabgases entsprechend einem Ausgabewert der Brennstoffzelle 1 zu erhöhen. Gemäß einer weiteren Alternative kann die Steuereinheit 80 das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 steuern, um die Austragmenge (Entlüftungshäufigkeit) des durch das Auslassventil 61 ausgetragenen Wasserstoffabgases entsprechend eines benötigten Werts, der der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, zu erhöhen. Bei einer weiteren Alternative kann die Steuereinheit 80 das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 steuern, um die Austragmenge (Entlüftungshäufigkeit) des durch das Auslassventil 61 ausgetragenen Wasserstoffabgases entsprechend der mit der Brennstoffzelle 1 und dem Stromkabel 51 verbundenen Last 53 zu erhöhen.
  • Der Auslassströmungspfad 6, der mit dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 verbunden ist, hat das Auslassventil 61 und den Strömungsmesser 62. Das Auslassventil 61 ist ein Ventil, das den Öffnungsbetrag oder den Öffnungszeitpunkt des Auslassströmungspfades 6 regeln kann. Durch Steuern des Öffnungsbetrages des Auslassventils 61 kann unverbrauchtes Wasserstoffgas oder ein Gas mit Verunreinigungen (Stickstoff, Wasser und dergleichen) von der Wasserstoffelektrode 1a nach außen ausgetragen werden. Das Auslassventil 61 wird gemäß einem Steuersignal S6 von der Steuereinheit 80 gesteuert. Das Auslassventil 61 kann jede Art von Ventil sein, sofern das Ventil geeignet ist, den Öffnungsbetrag oder den Öffnungszeitpunkt des Auslassströmungspfades 6 zu regeln.
  • Der Strömungsmesser 62 ist eine Vorrichtung, welche die Durchflussmenge eines Fluids erfasst, das durch den Auslassströmungspfad 6 ausgetragen wird. Genauer gesagt entspricht die durch den Strömungsmesser 62 erfasste Strömungsrate bzw. Durchflussmenge der Austragmenge des Gases (des Wasserstoffabgases), das unverbrauchten Wasserstoff oder Verunreinigungen (Stickstoff, Wasser und dergleichen) enthält, das von der Wasserstoffelektrode 1a ausgetragen wurde. Ein Signal S7, das der Durchflussmenge, die durch den Strömungsmesser 62 erfasst wird, entspricht, wird an die Steuereinheit 80 ausgegeben. Der Strömungsmesser 62 der vorliegenden Ausführungsform erfasst die Durchflussmenge (die Austragmenge) des Wasserstoffabgases, das durch das Auslassventil 61 ausgetragen wird, wenn die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, und gibt das der erfassten Durchflussmenge entsprechende Signal S7 an die Steuereinheit 80 aus.
  • Der Strömungsmesser 62 kann weggelassen werden. Wenn beispielsweise das Auslassventil 61 eine genaue Einstellung des Öffnungsbetrages zulässt, kann die Austragmenge des Wasserstoffabgases auf Basis des Öffnungsbetrages, der Öffnungszeit oder der Zahl von Öffnungen und Schließungen des Auslassventils 61 geregelt werden, ohne den Strömungsmesser 62 zum Erfassen der Durchflussmenge im Auslassströmungspfad 6 zu verwenden. Gemäß einer Alternative kann der Druck im Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 durch die Steuereinheit 80 auf Basis des Betriebszustands der Brennstoffzelle 1 berechnet werden. Basierend auf dem berechneten Druck kann die Austragmenge entsprechend der Menge geregelt werden, die beobachtet wird, wenn das Auslassventil 61 für eine vorgegebene Zeit geöffnet ist.
  • Der Detektor 70 erfasst beispielsweise die Drehzahl bzw. die Umdrehungen pro Minute, den Stromverbrauch oder den Leistungsverbrauch der Wasserstoffpumpe 4 und gibt ein Signal S4 entsprechend der erfassten Information an die Steuereinheit 80 aus. Wenn das den durch den Detektor 70 erfassten Information entsprechende Signal S4 an die Steuereinheit 80 ausgegeben wird, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 81 entsprechend dem Steuersignal S4 den Betriebszustand der Sauerstoffpumpe 4 (z. B. ob die Wasserstoffpumpe 4 steht).
  • Die Steuereinheit 80 umfasst eine CPU, ein ROM, ein RAM, einen A-D-Wandler sowie eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und dergleichen, die nicht dargestellt sind. Wie vorstehend beschrieben wurde, steuert die Steuereinheit 80 das Zufuhrventil 21 oder das Auslassventil 61 entsprechend den Erfassungssignalen S2, S5 und S7, die vom Druckanzeiger 22, dem Stromsensor 52 und dem Strömungsmesser 62 erhalten wurden. Genauer gesagt wird das Steuersignal S1 zum Zufuhrventil 21 gesendet, oder das Steuersignal S6 wird zum Auslassventil 61 gesendet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform schätzt die Steuereinheit 80 den augenblicklichen Wasserstoffpartialdruck an der Wasserstoffelektrode 1a auf Basis des Signals S2, das dem vom Druckanzeiger 22 erfassten Druck entspricht, und schätzt die Konzentration an Verunreinigungen (oder die Menge an Verunreinigungen) an der Wasserstoffelektrode 1a auf Basis des ermittelten Wasserstoffpartialdrucks. Die Steuereinheit 80 steuert ferner das Auslassventil 61 entsprechend der ermittelten Konzentration an Verunreinigungen. In anderen Worten: die Steuereinheit 80 steuert das Auslassventil 61 entsprechend der ermittelten Konzentration an Verunreinigungen, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases, das von der Wasserstoffelektrode 1a ausgetragen wird, zu erhöhen.
  • Die Steuereinheit 80 umfasst dabei den Bestimmungsabschnitt 81. Gemäß dem Erfassungssignal S4 vom Detektor 70 bestimmt der Bestimmungsabschnitt 81, ob die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt wurde. Wenn der Bestimmungsabschnitt 81 feststellt, dass die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt wurde, sendet die Steuereinheit 80 das Steuersignal S6 an das Auslassventil 61, um das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 zu steuern, wodurch die Austragmenge des Wasserstoffabgases derart erhöht wird, dass sie größer wird als die Menge an Wasserstoffabgas, die basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, ausgetragen wird. Wenn der Bestimmungsabschnitt 81 feststellt, dass die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt hat, wird die Austragmenge, die derart erhöht wurde, dass sie größer ist als die des Abgases, das basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, ausgetragen wird, auf Basis des Betriebszustands bei gleichen Bedingungen – abgesehen vom an/aus der Wasserstoffpumpe 4 – berechnet. Der Begriff „der Betriebszustand bei gleichen Bedingungen – abgesehen vom an/aus der Wasserstoffpumpe 4” umfasst einen Zustand, bei welchem der Betrieb einer anderen Vorrichtung als der Wasserstoffpumpe 4 (z. B. der Brennstoffzelle 1), wenn die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, und der Betrieb einer anderen Vorrichtung als der Wasserstoffpumpe 4 (z. B. der Brennstoffzelle 1), wenn die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt ist, unter den gleichen Bedingungen ausgeführt werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die Austragmenge des Wasserstoffabgases, die erhöht werden soll, wenn die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt ist, basierend auf der Annahme eingestellt, dass eine andere Vorrichtung als die Wasserstoffpumpe 4 unter gleichen Bedingungen arbeitet. Die Steuerung zum Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 kann beispielsweise eine Steuerung zum Erhöhen des Öffnungsbetrages des Auslassventils 61, eine Steuerung zum Verlängern der Öffnungszeit oder eine Steuerung zum Erhöhen der Anzahl der Öffnungs-/Schließzyklen (kurz eines Spülzyklus) sein. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn beispielsweise eine Wasserstoffpumpen-Drehzahlabweichung, die später beschrieben wird, ein bestimmter Wert oder mehr ist wenn eine Zellenspannung abnimmt, eine Steuerung zum Verkürzen des Spülzyklus durch die Steuereinheit 80 ausgeführt.
  • (Prozessablauf des Brennstoffzellensystems)
  • Nachfolgend wird das Verfahren zum Steuern des Auslassventils 61 durch die Steuereinheit 80 des Brennstoffzellensystems 100 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel des Prozesses, der durch die Steuereinheit 80 ausgeführt wird, zeigt. Der Prozess wird wiederholt in einem vorgegebenen Zyklus ausgeführt, während die Brennstoffzelle 1 in Betrieb ist.
  • Zunächst bestimmt der Bestimmungsabschnitt 81 in Schritt S10 basierend auf dem Erfassungssignal S4 vom Detektor 70, ob die Wasserstoffpumpe 4 beispielsweise aufgrund eines Gefrierens angehalten wurde. Wenn der Bestimmungsabschnitt 81 ein Bestimmungsergebnis ausgibt, das anzeigt, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist (NEIN in Schritt S10) wird der Prozess in Schritt S10 fortgesetzt. Wenn der Bestimmungsabschnitt 81 feststellt, dass die Wasserstoffpumpe 4 steht (JA in Schritt S10), fährt der Prozess mit Schritt S11 fort. Die Feststellungsbedingung in Schritt S10 kann beispielsweise sein, wenn eine Pumpendrehzahlabweichung äquivalent oder größer als ein bestimmter Wert ist, oder genauer gesagt, wenn der Messwert (tatsächlicher Messwert) der Pumpendrehzahl niedriger als ein Pumpendrehzahlsollwert ist.
  • Anschließend führt die Steuereinheit in Schritt S11 eine Steuerung zum Erhöhen der Entlüftungshäufigkeit des Wasserstoffabgases aus. Genauer gesagt steuert die Steuereinheit 80 gemäß dem Erfassungssignal S4, das vom Detektor 70 ausgegeben wurde, das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases derart zu erhöhen, dass sie größer ist als die Menge des Wasserstoffabgases, die basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, ausgetragen wird. In anderen Worten: die Steuereinheit 80 steuert das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 derart, dass die Austragmenge des Wasserstoffabgases, wenn die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt ist, größer ist als die des Wasserstoffabgases, das ausgetragen wird, wenn die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, basierend auf der Annahme, dass eine andere Vorrichtung als die Wasserstoffpumpe 4 unter gleichen Bedingungen arbeitet. Wie vorstehend beschrieben ist, kann die Steuerung zum Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 beispielsweise die Steuerung zum Erhöhen des Öffnungsbetrags des Auslassventils 61, die Steuerung zum Verlängern der Öffnungszeit oder die Steuerung zum Erhöhen der Anzahl der Öffnungs-/Schließzyklen (Verkürzung des Spülzyklus) sein. Das Steuern des Öffnens/Schließens des Auslassventils 61 macht es daher möglich, die Austragmenge (Entlüftungsmenge) des Wasserstoffabgases derart zu erhöhen, dass sie größer ist als die Austragmenge unter gleichen Bedingungen, wenn die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, hat die vorliegende Ausführungsform den Bestimmungsabschnitt 81, der feststellt, ob die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt hat, sowie die Steuereinheit 80, die das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 steuert, wobei, wenn der Bestimmungsabschnitt 81 feststellt, dass die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt hat, das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 derart gesteuert wird, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases, das durch das Auslassventil 61 ausgetragen wird, derart zu erhöhen, dass sie größer wird als die Austragmenge des Wasserstoffabgases, das basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist, ausgetragen wird. Wenn die Wasserstoffpumpe 4 gestoppt wurde, neigen Verunreinigungen dazu, sich im Leitungssystem (dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad 3 in der vorliegenden Ausführungsform) an der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 1 anzusammeln. In einem solchen Fall wird die Entlüftungshäufigkeit (die Austragmenge) des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil 61 derart erhöht, dass sie größer ist als die Entlüftungshäufigkeit (die Austragmenge) des Wasserstoffabgases ebi der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe 4 in Betrieb ist. Hierdurch kann das Ansammeln von Verunreinigungen im Leitungssystem auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle verhindert werden, wodurch eine Verschlechterung der Brennstoffzelle 1 verhindert werden kann.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Öffnen/Schließen des Auslassventils 61 ferner derart gesteuert, dass die Austragmenge des Wasserstoffabgases, das durch das Auslassventil 61 ausgetragen wird, entsprechend einem Ausgabewert der Brennstoffzelle 1 oder einem der Brennstoffzelle 1 zugeführten benötigten Wert erhöht wird. Wenn der Ausgabewert der Brennstoffzelle 1 oder der benötigte Wert der Brennstoffzelle 1 ansteigt, steigt auch die Menge an erzeugten Verunreinigungen an. Bei dem Fall, bei dem die Menge an erzeugten Verunreinigungen ansteigt, wird dementsprechend die Austragmenge des Wasserstoffabgases entsprechend erhöht. Als Ergebnis kann, selbst wenn die Menge an erzeugten Verunreinigungen zunimmt, die Ansammlung der Verunreinigungen im Leitungssystem auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 1 unterdrückt werden.
  • Vorstehend wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf spezifische Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese spezifischen Beispiele beschränkt. Genauer gesagt sollen Abwandlungen, die vom Fachmann durch geeignetes Hinzufügen von Veränderungen zu den spezifischen Beispielen erhalten werden, vom Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst sein, solange derlei Abwandlungen die Merkmale der vorliegenden Erfindung erfüllen. Die in den vorstehend bezeichneten spezifischen Beispielen enthaltenden Merkmale sowie die Anordnung, die Zustände und dergleichen dieser Merkmale, kann in geeigneter Weise modifiziert werden und ist nicht auf die dargestellten beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzelle
    1a
    Wasserstoffelektrode (Anodenelektrode)
    1b
    Sauerstoffelektrode (Kathodenelektrode)
    1c
    Elektrolytmembran
    2a
    Wasserstoffgaszufuhrströmungspfad
    2b
    Oxidationsgaszufuhrströmungspfad
    3
    Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad
    4
    Wasserstoffpumpe
    6
    Auslassströmungspfad
    21
    Zufuhrventil
    22
    Druckanzeiger
    51
    Stromkabel
    52
    Stromsensor
    53
    Last
    61
    Auslassventil
    62
    Strömungsmesser
    70
    Detektor
    80
    Steuereinheit
    81
    Bestimmungsabschnitt
    100
    Brennstoffzellensystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2005-327597 A [0005]

Claims (2)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die mit Brenngas und Oxidationsgas an einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode versorgt wird, um Strom zu erzeugen, aufweisend: eine Wasserstoffpumpe, die in einem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad angeordnet ist, um ein von einer Auslassseite einer Wasserstoffelektrode ausgegebenes Wasserstoffabgas einer Einlassseite der Wasserstoffelektrode zuzuführen; ein Auslassventil, durch das in dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad fließendes Wasserstoffabgas aus dem Wasserstoffgaszirkulationsströmungspfad ausgetragen wird; einen Bestimmungsabschnitt, der feststellt, ob die Wasserstoffpumpe gestoppt ist; und eine Steuereinheit, die das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert, wobei, wenn der Bestimmungsabschnitt feststellt, dass die Wasserstoffpumpe gestoppt hat, die Steuereinheit das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil derart zu erhöhen, dass sie größer ist als die Austragmenge des basierend auf der Annahme, dass die Wasserstoffpumpe in Betrieb ist, ausgetragenen Wasserstoffabgases.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit das Öffnen/Schließen des Auslassventils steuert, um die Austragmenge des Wasserstoffabgases durch das Auslassventil entsprechend einem Ausgabewert der Brennstoffzelle oder einem der Brennstoffzelle zugeführten benötigten Wert zu erhöhen.
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