DE102018112612A1

DE102018112612A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018112612A1
Application number: DE102018112612.3A
Authority: DE
Inventors: Manabu Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2019-01-17
Also published as: CN109256572B; CN109256572A; JP2019021395A; US20190020046A1; US10714774B2; JP6809401B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Einheitszellen, in denen Anodengasströmungspfade ausgebildet sind; eine Anodengaszufuhreinheit, die eingerichtet ist, Anodengas an den Brennstoffzellenstapel über eine Anodengas-Zufuhröffnung des Brennstoffzellenstapels zuzuführen; einen Drucksensor, der zwischen der Anodengas-Zufuhröffnung und der Anodengaszufuhreinheit angeordnet ist, um einen Anodengaszufuhrdruck zu messen; einen Stromsensor, der eingerichtet ist, eine Stromstärke des Brennstoffzellenstapels zu messen; und einen Controller, der eingerichtet ist, eine Anodengaszufuhrmenge der Anodengaszufuhreinheit zu steuern und so den Anodengaszufuhrdruck zu steuern. Der Controller ist eingerichtet, einen ersten Druck zur Einstellung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas auf einen vorgegebenen Wert zu berechnen, wobei das stöchiometrische Verhältnis aus einer Stromstärke des Brennstoffzellenstapels und der Anodengaszufuhrmenge berechnet wird, dann den ersten Druck mit einem zweiten Druck zu vergleichen, um eine Verstopfung in den Anodengasströmungspfaden aufgrund von flüssigem Wasser zu lösen, um einen höheren Wert von dem ersten Druck und dem zweiten Druck als ausgewählten Druck zu bestimmen, und die Anodengaszufuhrmenge so zu steuern, dass der Anodengaszufuhrdruck der ausgewählte Druck wird, wenn eine Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, die angibt, dass ein Auftreten einer Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden von mindestens einer Einheitszelle absehbar ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2017-135834 , eingereicht am 12. Juli 2017, deren vollständiger Inhalt hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel umfasst.
STAND DER TECHNIK
Anodengasströmungspfade in Einheitszellen eines Brennstoffzellenstapels können durch flüssiges Wasser verstopft werden, das durch eine Stromerzeugung entsteht. Ein Spülvorgang wird ausgeführt, um ein Verstopfen der Anodengasströmungspfade durch flüssiges Wasser in einem angehaltenen Zustand des Brennstoffzellensystems zu unterbinden. In einem Brennstoffzellensystem aus JP2014-197481 A wird ein Spülvorgang mit Anodengas als Spülgas durchgeführt, um flüssiges Wasser, welches sich in Anodenabgasauslauf-Strömungspfaden befindet, aus den Einheitszellen abzulassen, wodurch ein Verstopfen der Anodenabgasauslauf-Strömungspfade unterbunden wird.
Allerdings würde das Durchführen des Spülvorgangs immer unter Verwendung von großen Mengen an Anodengas bei einem Anhalten des Brennstoffzellensystems die Kraftstoffwirtschaftlichkeit senken. Aus diesem Grund besteht der Wunsch, dass die Zufuhrmenge an Anodengas so klein wie möglich gehalten wird. Auch hat der Erfinder der vorliegenden Offenbarung herausgefunden, dass ein Verstopfen aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden nicht nur bei einem angehaltenen Zustand des Brennstoffzellensystems auftreten kann, sondern auch bei normalem Betrieb oder Niedriglastbetriebszuständen, was das Problem verursacht, dass bei Einheitszellen ein Anodengasmangel auftritt und sie nachlassen.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung, die vorgenommen wurde, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, kann in Form der nachfolgenden Aspekte durchgeführt werden.
Lösung des Problems
(1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen. Das Brennstoffzellensystem weist auf: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Einheitszellen, in denen Anodengasströmungspfade ausgebildet sind; eine Anodengaszufuhreinheit, die eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel Anodengas über eine Anodengas-Zufuhröffnung des Brennstoffzellenstapels zuzuführen; einen Drucksensor, der zwischen der Anodengas-Zufuhröffnung und der Anodengaszufuhreinheit angeordnet ist, um einen Anodengaszufuhrdruck zu messen; einen Stromsensor, der eingerichtet ist, eine Stromstärke des Brennstoffzellenstapels zu messen; und einen Controller, der eingerichtet ist, eine Anodengaszufuhrmenge der Anodengaszufuhreinheit zu steuern und so den Anodengaszufuhrdruck zu steuern. Der Controller ist eingerichtet, einen ersten Druck zur Einstellung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas auf einen vorgegebenen Wert zu berechnen, wobei das stöchiometrische Verhältnis aus einer Stromstärke des Brennstoffzellenstapels und der Anodengaszufuhrmenge berechnet wird, dann den ersten Druck mit einem zweiten Druck zu vergleichen, um eine Verstopfung in den Anodengasströmungspfaden aufgrund von flüssigem Wasser zu lösen, um einen höheren Wert von dem ersten Druck und dem zweiten Druck als ausgewählten Druck zu bestimmen, und die Anodengaszufuhrmenge so zu steuern, dass der Anodengaszufuhrdruck der ausgewählte Druck wird, wenn eine Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, die angibt, dass ein Auftreten einer Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden von mindestens einer Einheitszelle absehbar ist.
Da die Anodengaszufuhrmenge dadurch gesteuert wird, dass der höhere des ersten und des zweiten Drucks verwendet wird, wird gemäß des Brennstoffzellensystems in diesem Aspekt die Anodengaszufuhr reduziert im Vergleich zu Fällen, in denen eine große Menge an Anodengas zugeführt wird, um einen Druck sicherzustellen, der zu jeder Zeit ausreichend höher ist als die vorangegangenen Drücke. Außerdem wird, da die Anodengaszufuhrmenge nach Erfüllung der Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung unabhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems angepasst wird, flüssiges Wasser, das sich in den Anodengasströmungspfaden der Einheitszellen befindet, aus den Einheitszellen abgelassen, sodass eine Verstopfung der Anodengasströmungspfade gelöst wird, wodurch eine Verschlechterung der Einheitszellen unterbunden wird.
(2) Gemäß einem anderen Aspekt kann das Brennstoffzellensystem ferner aufweisen: einen Systemschalter, der eingerichtet ist, eine Anweisung zum Einschalten und Anhalten des Brennstoffzellensystems zu geben; und eine Zellüberwachung bzw. Zellüberwachungsvorrichtung, die eingerichtet ist, eine Zellspannung der Mehrzahl der Einheitszellen zu erfassen. Es kann entschieden werden, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, wenn eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems von dem Systemschalter ausgegeben wurde, oder wenn die Zellüberwachung bzw. Zellüberwachungsvorrichtung eine negative Spannung während des Betriebs von dem Brennstoffzellensystem erfasst hat.
Wenn eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems ausgegeben wurde, oder wenn die Zellüberwachungsvorrichtung eine negative Spannung erfasst hat, ist es sehr wahrscheinlich, dass in den Anodengasströmungspfaden der Einheitszellen eine Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser auftritt. In einem solchen Fall wird gemäß des Brennstoffzellensystems in diesem Aspekt, da der Controller die Anodengaszufuhrmenge anpasst, flüssiges Wasser, das sich in den Anodengasströmungspfaden der Einheitszellen befindet, aus den Einheitszellen abgelassen, sodass die Verstopfung der Anodengasströmungspfade gelöst wird, wodurch eine Verschlechterung der Einheitszellen unterbunden wird.
(3) Gemäß eines weiteren Aspekts kann sich der vorgegebene Wert des stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases innerhalb von einem Bereich von 1,2 bis 1,3 befinden.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts wird eine Anodengaszufuhr an den Brennstoffzellenstapel ausreichend sichergestellt. Daher sind die Einheitszellen frei von einem Anodengasmangelzustand, sodass eine Verschlechterung der Einheitszellen unterbunden wird.
(4) Gemäß eines weiteren Aspekts kann die Anodengaszufuhreinheit Folgendes umfassen: ein Injektor, der eingerichtet ist, Anodengas aus einem Anodengastank an die Anodengas-Zufuhröffnung zuzuführen; eine Anodengasrückführrohrleitung, die eingerichtet ist, Anodengas, das aus einer Anodengas-Austragsöffnung des Brennstoffzellenstapels abgelassen wurde, an die Anodengas-Zufuhröffnung zurückzuführen; und eine Anodengas-Umwälzpumpe, die in der Anodengasrückführrohrleitung platziert ist. Der Controller kann eingerichtet sein, eine Ablassströmungsrate des Injektors und/oder eine Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases den vorgegebenen Wert annimmt.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem in diesem Aspekt wird das stöchiometrische Verhältnis von Anodengas so reguliert, dass es einen vorgegebenen Wert annimmt. Daher wird die nötige Anodengasmenge an die Brennstoffzellen zugeführt, sodass eine Verschlechterung der Einheitszellen unterbunden wird.
(5) Gemäß eines weiteren Aspekts kann der zweite Druck ein Wert sein, der sich aus einer Addition von Anodengaszufuhrdruck, welcher während eines Anhaltmodusbetriebs sinkt, welcher ausgeführt wird, nachdem eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems von dem Systemschalter ausgegeben wurde, und bevor das Brennstoffzellensystem angehalten wird, sowie einer Druckzunahme ergibt, die ein Ablassen von in den Anodengasströmungspfaden befindlichem flüssigen Wasser erlaubt.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem in diesem Aspekt wird, wenn der zweite Druck als ausgewählter Druck eingestellt wird, flüssiges Wasser, das sich in den Anodengasströmungspfaden befindet, zuverlässig abgelassen, sodass eine Verschlechterung der Einheitszellen unterbunden wird.
Die vorliegende Offenbarung kann auch auf verschiedene andere Arten als die oben beschriebenen Aspekte implementiert werden. Zum Beispiel kann die Offenbarung in solchen Modi als Entleerungsverfahren für Brennstoffzellenstapel und ein Brennstoffzellenfahrzeug implementiert werden.
Figurenliste

1 ist eine Erläuterungsansicht, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ist eine Erläuterungsansicht, die eine schematische Konfiguration eines anodenseitigen Separators einer Einheitszelle zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser zeigt;
4 ist eine Schaubild, das ein Beispiel für Zeitvariationen bei einer Drehzahl einer Anodengas-Umwälzpumpe, Anodengaszufuhrdruck, Brennstoffzellenstromstärke und Zellspannung während Ausführung der Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser zeigt; und
5 ist ein weiteres Schaubild, das ein Beispiel für Zeitvariationen bei einer Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe, Anodengaszufuhrdruck, Brennstoffzellenstromstärke und Zellspannung während Ausführung der Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 ist eine Erläuterungsansicht, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise in einem Fahrzeug montiert, um Strom abzugeben, der auf Anforderung von einem Fahrzeugfahrer als Leistungsquelle des Fahrzeugs dient. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 20, ein Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50, ein Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30, ein Kühlmittelzirkulationssystem 70, einen Controller 80, einen Gleichspannungswandler 90, eine Leistungssteuereinheit (nachfolgend als „PCU“ bezeichnet) 91 und eine Zellüberwachungsvorrichtung 95.
In dem Brennstoffzellenstapel 20 sind in der folgenden Reihenfolge eine Endplatte 21, eine Isolierplatte 22, eine Stromabnehmerplatte 23, eine Mehrzahl an Einheitszellen 24, eine Stromabnehmerplatte 23, eine Isolierplatte 22 und eine Endplatte 21 gestapelt. Jede Einheitszelle 24 besteht aus einer nicht gezeigten Membranelektrodenanordnung und zwei Separatoren, welche die Membranelektrodenanordnung sowohl auf ihrer Anoden- als auch ihrer Kathodenseiten zwischen sich nehmen. Der Brennstoffzellenstapel 20 umfasst auch eine Anodengas-Zufuhröffnung 25 und eine Anodengas-Austragsöffnung 26. Eine Anodengassammelrohrleitung 25d ist mit der Anodengas-Zufuhröffnung 25 verbunden.
Das Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 fungiert als Anodengaszufuhreinheit zur Zuführung von Anodengas an den Brennstoffzellenstapel 20 über die Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20. Das Zuführen des Anodengases in dem Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 umfasst ein Zuführen von einem Anodengasspeicherbehälter und ein Zuführen durch einen Anodengasrückfluss. In dem Beispiel aus 1 wird Wasserstoff als Anodengas verwendet. Das Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 umfasst einen Anodengastank 40, ein Absperrventil 41, eine Anodengaszufuhrrohrleitung 60, einen Regler 51, einen Injektor 54, eine Anodengasrückführrohrleitung 61, eine Anodengas-Umwälzpumpe 55, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 56, ein Absperrventil 57 und ein Ablass-/Entleerungsrohrleitung 58.
Der Anodengastank 40 ist ein Speicherbehälter für Wasserstoffgas bei hohem Druck von mehreren zehn MPa. Die Anodengaszufuhrrohrleitung 60 ist zwischen dem Anodengastank 40 und einem Ende CL der Anodengassammelrohrleitung 25d verbunden, um Wasserstoff, der aus dem Anodengastank 40 geleitet wurde, an den Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen. An der Anodengaszufuhrrohrleitung 60 sind, wie erwähnt, das Absperrventil 41, der Regler 51 und der Injektor 54 in dieser Reihenfolge von der Seite des Anodengastanks 40 aus angeordnet. Der Regler 51 regelt den Wasserstoffdruck. Der Injektor 54 führt Wasserstoff, der aus dem Anodengastank 40 geleitet wurde, über die Anodengassammelrohrleitung 25d an die Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 zu.
Die Anodengasrückführrohrleitung 61 ist eine Leitung zur Rückführung an die Anodengas-Zufuhröffnung 25 von Anodengas, das aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 abgelassen wurde. Bei der Anodengasrückführrohrleitung 61 ist ein Ende mit der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden und das andere Ende ist mit dem einen Ende CL der Anodengassammelrohrleitung 25d verbunden. Das heißt, in der Anodengaszufuhrrohrleitung 60 geführter Wasserstoff und in der Anodengasrückführrohrleitung 61 geführter Wasserstoff sammeln sich in der Anodengassammelrohrleitung 25d, sodass er der Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 zugeleitet wird.
In der Anodengasrückführrohrleitung 61 sind die Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 in dieser Reihenfolge platziert, wie erwähnt von einer Seite, die näher an der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 ist. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 trennt Gas und Flüssigkeit voneinander, welches aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 des Brennstoffzellenstapels 20 ausgestoßen wird. Gas, das aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 abgelassen wird, besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, der für die Stromerzeugung nicht verwendet wurde, wobei Stickstoff von der Kathodenseite zu der Anodenseite jeder Einheitszelle 24 gedrungen ist, sowie aus Dampf, der durch die Stromerzeugung erzeugt wurde. Flüssigkeit, die aus der Anodengas-Austragsöffnung 26 abgelassen wird, besteht hauptsächlich aus flüssigem Wasser, das durch die Stromerzeugung erzeugt wurde. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 trennt Stickstoff und flüssiges Wasser aus diesem Gas und dieser Flüssigkeit ab, um den abgetrennten Stickstoff und das flüssige Wasser über das Absperrventil 57 und die Ablass-/Entleerungsrohrleitung 58 nach Draußen abzulassen. Wasserstoff und Dampf, die in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 56 verbleiben, werden der Anodengasrückführrohrleitung 61 als Anodengas von der Anodengas-Umwälzpumpe 55 zurückgeführt. Ein Drucksensor 52 für das Messen des Anodengaszufuhrdrucks ist zwischen der Anodengas-Zufuhröffnung 25 des Brennstoffzellenstapels 20 und dem Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 angeordnet, d. h., an der Anodengassammelrohrleitung 25d.
Gesteuert von einem Controller 80 führt das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 ein Zuführen von Kathodengas und Ablassen von Kathodengas an und von dem Brennstoffzellenstapel 20 durch. In dem Beispiel aus 1 wird Luft als Kathodengas verwendet. Das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 umfasst eine Kathodengaszufuhrrohrleitung 32, einen Verdichter 31, ein Dreiwegeventil 33, eine Bypassrohrleitung 38, ein Druckregelventil 36 und eine Kathodengasablassrohrleitung 39.
Die Kathodengaszufuhrrohrleitung 32 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden, um Luft zuzuführen, die von Außerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 eingesaugt wurde. An der Kathodengaszufuhrrohrleitung 32 sind, wie erwähnt, von der Lufteinlassseite aus ein Außenlufttemperatursensor 35, ein Luftdurchflussmesser 34, ein Verdichter 31 und ein Dreiwegeventil 33 in dieser Reihenfolge platziert. Der Außenlufttemperatursensor 35 misst eine Temperatur von Luft, bevor sie eingesaugt wird. Der Luftdurchflussmesser 34 misst eine Quantität einer Ansaugluft. Der Verdichter 31 verdichtet die Ansaugluft. Das Dreiwegeventil 33 ist mit der Bypassrohrleitung 38 verbunden, um eine Luftströmungsrate, die zu dem Brennstoffzellenstapel 20 und der Bypassrohrleitung 38 fließt, zu regulieren. Die Bypassrohrleitung 38 ist mit der Kathodengasablassrohrleitung 39 verbunden.
Die Kathodengasablassrohrleitung 39 hat einen stromaufwärtsseitigen Endabschnitt, der mit dem Brennstoffzellenstapel 20 verbunden ist, sowie Zwischenpositionen, die jeweils mit der Bypassrohrleitung 38 und der Ablass-/Entleerungsrohrleitung 58 des Anodengaszufuhr-/zirkulationssystems 50 verbunden ist. Die Kathodengasablassrohrleitung 39 lässt Kathodenabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgelassen wurde, Luft, die zu der Bypassrohrleitung 38 abgezweigt wurde, und Stickstoff plus flüssiges Wasser, das aus der Ablass-/Entleerungsrohrleitung 58 abgelassen wurde, nach Draußen ab. Auch wird das Druckregelventil 36 an der Kathodengasablassrohrleitung 39 platziert. Das Druckregelventil 36 befindet sich an einer Stelle, die näher an dem Brennstoffzellenstapel 20 ist als die Verbindungsstelle zwischen der Kathodengasablassrohrleitung 39 und der Bypassrohrleitung 38. Das Druckregelventil 36 regelt einen Druck von Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
Gesteuert von dem Controller 80 kühlt das Kühlmittelzirkulationssystem 70 den Brennstoffzellenstapel 20. Das Kühlmittelzirkulationssystem 70 umfasst eine Kältemittelzufuhrrohrleitung 74, eine Kältemittelablassrohrleitung 73, einen Radiator 71, eine Bypassrohrleitung 77, ein Dreiwegeventil 75 und eine Kältemittelpumpe 72. Das Kältemittel wird gestellt, indem beispielsweise Wasser, Ethylenglycol oder anderes kältebeständiges Wasser, Luft oder dergleichen verwendet wird. Die Kältemittelpumpe 72 ist an der Kältemittelzufuhrrohrleitung 74 platziert, um das Kältemittel dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen. Das Dreiwegeventil 75 regelt eine Durchflussmenge bzw. Strömungsrate des Kältemittels, das zu dem Radiator 71 und der Bypassrohrleitung 77 strömt.
Die Zellüberwachungsvorrichtung 95 hat eine Funktion, eine Zellspannung der Mehrzahl an Einheitszellen 24 zu erfassen. In dem Beispiel aus 1 erfasst die Zellüberwachungsvorrichtung 95, geregelt von dem Controller 80, eine Gesamtspannung von zwei Zellspannungen pro Kanal auf einer Kanalbasis, wobei jeweils zwei Einheitszellen 24 auf einem Kanal gebündelt werden. Die Anzahl an Einheitszellen 24 pro Kanal kann eins oder sonst drei oder mehr sein. Im Falle, in dem die Anzahl an Einheitszellen 24 pro Kanal N ist, wobei N eine ganze Zahl von 2 oder mehr ist, wobei angenommen wird, dass Zellspannungen von (N-1) Einheitszellen 24 von N Einheitszellen 24 jeweils eine durchschnittliche Zellspannung ist, kann eine Zellspannung von der verbleibenden Einheitszelle 24 geschätzt werden. Die durchschnittliche Zellspannung ist ein Wert, der bestimmt wird, indem eine Spannung in dem Brennstoffzellenstapel 20, die von einem Stapelspannungssensor 93 gemessen wird, durch die Anzahl an Einheitszellen 24 geteilt wird. Eine auf diese Art und Weise geschätzte Zellspannung ist auch gleich einer „Zellspannung, die von der Zellüberwachungsvorrichtung 95 erfasst wurde“. Da nur eine der N Einheitszellen 24 eine negative Spannung haben kann, ist es in üblichen Fällen für die Praxis kaum problematisch, die Annahme zu verwenden, dass die (N-1) Einheitszellen 24 der durchschnittlichen Zellspannung entsprechen.
Der Gleichspannungswandler 90 erhöht eine Spannung, die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausgegeben wurde, und führt, gesteuert von dem Controller 80, die resultierende Spannung der PCU 91 zu. Die PCU 91, die einen Wechselrichter umfasst, führt, gesteuert von dem Controller 80, einer Last Strom zu. Gesteuert von dem Controller 80 regelt die PCU 91 auch eine Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20. Ein Stromsensor 92 zum Messen der Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 20 und dem Gleichspannungswandler 90 platziert.
Der Controller 80 ist als Computer, insbesondere als ECU (elektronische Steuereinheit), eingerichtet, der eine CPU, einen RAM und einen nichtflüchtigen Speicher umfasst. Der Controller 80 gibt Signale aus, um das Einschalten und Anhalten einzelner Vorrichtungen in dem Brennstoffzellensystem 10 ansprechend auf Anweisungen (AN- und AUS-Betätigungen) eines Systemschalters 200 zu steuern. Der Systemschalter 200 entspricht beispielsweise einem Zündschalter oder einem Leistungsschalter von Fahrzeugen. Auch steuert der Controller 80, der eine Leistungserzeugungsanforderung erhält, einzelne Teile des Brennstoffzellensystems 10, um den Brennstoffzellenstapel 20 zur Stromerzeugung anzuregen. Der Controller 80 steuert den Anodengaszufuhrdruck, indem die Anodengaszufuhrmenge des Anodengaszufuhr-/zirkulationssystems 50 gesteuert wird, d. h., indem die Gaszufuhrmenge des Injektors 54 und die Anodengas-Umwälzpumpe 55 gesteuert wird.
2 ist eine Erläuterungsansicht, die eine schematische Konfiguration eines anodenseitigen Separators 100 einer Einheitszelle 24 in dem Brennstoffzellenstapel 20 (1) von der Seite der Membranelektrodenanordnung aus gesehen zeigt. In 2 verläuft eine X-Richtung entlang einer Horizontalrichtung, eine Z-Richtung entlang einer vertikal nach oben gerichteten Richtung und eine Y-Richtung entlang einer Stapelrichtung der Einheitszellen 24. Eine Anodengas-Einlasssammelöffnung 110, eine Kühlmittel-Auslasssammelöffnung 160 und eine Kathodengas-Einlasssammelöffnung 130 sind so platziert, dass sie von oben nach unten in einem Längsendkantenabschnitt des Separators 100 platziert werden können. Dagegen sind eine Anodengas-Auslasssammelöffnung 140, eine Kühlmittel-Einlasssammelöffnung 150 und eine Kathodengas-Auslasssammelöffnung 120 so platziert, dass sie von oben nach unten in dem anderen Endkantenabschnitt des Separators 100 platziert werden können. Die Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 und die Anodengas-Auslasssammelöffnung 120 stehen jeweils mit der Anodengas-Zufuhröffnung 25 und der Anodengas-Austragsöffnung 26 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 20 in Verbindung.
In einem Mittelteil des Separators 100 sind mehrere streifenartige Anodengasströmungspfade 105 ausgebildet. Jeder Anodengasströmungspfad 105 hat ein Anodengaseinlassteil 111, das mit der Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 in Verbindung steht, und ein Anodengasauslassteil 121, das mit der Anodengas-Auslasssammelöffnung 120 in Verbindung steht. In dem Beispiel aus 2 sind die Anodengasströmungspfade 105 gewundene Strömungspfade, die aus mehreren streifenförmigen Teilströmungspfaden 105p ausgebildet sind, die in gleichen Abständen angeordnet und gewunden sind. Auch ist das Anodengaseinlassteil 111 und das Anodengasauslassteil 121 kammförmig.
Der Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 zugeführter Wasserstoff passiert durch das Anodengaseinlassteil 111 und fließt in die Teilströmungspfade 105p. Der Wasserstoff, der in die Teilströmungspfade 105p geflossen ist, passiert, während er sich windet, durch das Anodengasauslassteil 121 und fließt zu der Anodengas-Auslasssammelöffnung 120. An diesem Punkt besteht die Möglichkeit, dass, wenn der Wasserstoff, der der Anodengas-Einlasssammelöffnung 110 zugeführt wurde, durch die Stromerzeugung erzeugtes flüssiges Wasser oder kondensiertes Wasser enthält, das sich in der Anodengas-Umwälzpumpe 55 (1) oder dergleichen befindet, die Anodengasströmungspfade 105, insbesondere das Anodengaseinlassteil 111 durch solches flüssiges Wasser verstopft werden.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser in dem Brennstoffzellensystem 10 zeigt. Dieser Steuerungsprozess wird normal und wiederholt während dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt. Bei Schritt S210 entscheidet der Controller 80, ob eine Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, die angibt, dass ein Auftreten einer Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden 105 (2) des Separators 100 der Einheitszellen 24 absehbar ist. Es wird entschieden, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, wenn eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 von dem Systemschalter 200 ausgegeben wird, oder wenn eine negative Spannung von der Zellüberwachungsvorrichtung 95 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 erfasst wird. In dem Fall, in dem die Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben wurde, verursacht ein Abschalten des Systemschalters 200, dass die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 verringert wird, um Geräusch und Vibrationen zu reduzieren. Folglich sinkt die Anodengasströmungsrate, sodass es wahrscheinlicher wird, dass sich flüssiges Wasser innerhalb der Einheitszellen 24 befindet und daher eine Verstopfung der Anodengasströmungspfade 105 aufgrund von flüssigem Wasser leicht auftritt. Auch in dem Fall, in dem die Zellüberwachungsvorrichtung 95 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 eine negative Spannung erfasst hat, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass eine Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden 105 aufgetreten ist, sodass die Zufuhr des Anodengases an die Einheitszellen 24 blockiert ist. Anders als bei den oben genannten Fällen kann entschieden werden, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung auch in Fällen erfüllt ist, in denen beispielsweise das Brennstoffzellensystem 10 anhält und neu startet und einen normalen Betrieb durchführt, nachdem es einen Aufwärmvorgang durchgeführt hat, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu erhöhen, oder in denen das Brennstoffzellensystem 10 einen normalen Betrieb bei einer Außenlufttemperatur unter dem Gefrierpunkt ausführt. Das heißt, da kondensiertes Wasser sehr wahrscheinlich in der Anodengas-Umwälzpumpe 55 aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem Anodengas und der Anodengas-Umwälzpumpe 55 auftritt, ist es in diesen zwei Fällen sehr wahrscheinlich, dass das flüssige Wasser möglicherweise in die Anodengasströmungspfade 105 der Einheitszellen 24 fließt und dort eine Verstopfung verursacht.
Wenn bei Schritt S210 entschieden wird, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung nicht erfüllt ist, führt der Controller 80 den Schritt S210 erneut aus. Unterdessen, wenn entschieden wird, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, schreitet der Prozessablauf zu Schritt S220 fort.
Bei Schritt S220 entscheidet der Controller 80, ob von dem Systemschalter 200 eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben wurde. Wenn entschieden wird, dass die Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben wurde, fährt der Prozessablauf zu Schritt S230 fort. Bei Schritt S230 startet der Controller 80 einen Anhaltmodusbetrieb, bevor er das Brennstoffzellensystem 10 anhält. Der Begriff „Anhaltmodusbetrieb“ bezieht sich auf einen Betrieb, der ausgeführt wird, bevor der Betrieb einzelner Systeme des Brennstoffzellensystems 10 vollständig angehalten wird. In dem Anhaltmodusbetrieb wird beispielsweise der Verdichter 31 des Kathodengaszufuhr-/ablasssystems 30 zuerst angehalten und die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 wird gesenkt. Auch wird eine geringe Stromstärke von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeleitet, um zu verhindern, dass die Spannung der Einheitszellen 24 eine Klemmenspannung bzw. Leerlaufspannung (Open-circuit Voltage, OCV) wird. Wenn dagegen bei Schritt S220 entschieden wird, dass keine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben wurde, fährt der Prozessablauf zu Schritt S240 fort, wobei Schritt S230 ausgelassen wird.
Bei Schritt S240 berechnet der Controller 80 einen ersten Druck zur Einstellung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas auf einen vorgegebenen Wert. Der Begriff „stöchiometrisches Verhältnis“ bezeichnet hier eine tatsächliche Anodengasströmungsrate relativ zu einer für eine Stromerzeugung theoretisch erforderliche Anodengasströmungsrate. Die für eine Stromerzeugung theoretisch erforderliche Anodengasströmungsrate, d. h. eine Anodengasströmungsrate, die tatsächlich von dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Zeit des Schritts S240 verbraucht wird, kann durch einen Stromwert des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet werden, der von dem Stromsensor 92 (1) gemessen wird. Auch die tatsächliche Anodengasströmungsrate, d. h., eine Anodengasströmungsrate, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zur Zeit des Schritts S240 zugeführt wird, kann basierend auf einer Anodengas-Ablassströmungsrate von dem Injektor 54 (1) und der Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 (1) berechnet werden. Die Berechnung der tatsächlichen Anodengasströmungsrate kann unter Berücksichtigung von gasförmigem Ablassvolumen und flüssigem Ablassvolumen des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 56 (1) zusätzlich zu der Anodengas-Ablassströmungsrate durch den Injektor 54 und die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 durchgeführt werden.
Der Begriff „vorgegebener Wert“ des stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas bezieht sich auf einen derartigen Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas, der eine unzureichende Anodengaszufuhr zu den Brennstoffzellenstapel 20 verhindert, wobei ein Wert innerhalb eines Bereichs von 1,2 bis 1,3 vorzugsweise für den vorgegebenen Wert des stöchiometrischen Verhältnisses verwendet wird. Der vorgegebene Wert wurde in dem nichtflüchtigen Speicher in dem Controller 80 gespeichert. Der vorgegebene Wert des stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas kann größer als 1,3 sein.
Bei Schritt S250 vergleicht der Controller 80 den ersten Druck, der in Schritt S240 berechnet wurde, mit einem zweiten Druck, der darauf abzielt, eine Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden 105 zu lösen. In diesem Fall kann, da das Brennstoffzellensystem 10 den Schritt S230 ausgeführt hat, der zweite Druck auf einen Wert eingestellt werden, der sich aus einer Addition von einem Anodengaszufuhrdruck, welcher in dem Anhaltmodusbetrieb nach Ausgabe der Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 durch den Systemschalter 200 sinkt, sowie einer Druckzunahme ergibt, die ein Ablassen von in den Anodengasströmungspfaden 105 befindlichem Wasser erlaubt. Wenn im Anhaltmodusbetrieb die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 gesenkt wird, um Geräusch und Vibrationen zu reduzieren, verringert sich der Anodengaszufuhrdruck entsprechend. Der Anodengaszufuhrdruck, der sich nach seinem Absinken ergibt, nimmt beispielsweise einen Wert zwischen 160 kPa und 190 kPa an. Die Druckzunahme, die ein Ablassen von flüssigem Wasser erlaubt, das sich in den Anodengasströmungspfaden 105 befindet, kann über eine Querschnittsfläche der Anodengasströmungspfade 105 berechnet werden, eine vorhergesehene Menge an flüssigem Wasser und dergleichen. Vorzugsweise wird der untere Grenzwert der Druckzunahme auf 33 kPa eingestellt, um ein Ablassen von flüssigem Wasser zuverlässig sicherzustellen. Auch wird, um einen übermäßigen Anstieg an Anodengasablasskonzentration bei Neustart des Brennstoffzellensystems 10 zu verhindern, der obere Grenzwert der Druckzunahme vorzugsweise auf 60 kPa eingestellt. Der zweite Druck muss nicht zwangsläufig wie der oben beschriebene, addierte Wert des Anodengaszufuhrdrucks und der Druckzunahme berechnet werden, sondern kann im Voraus experimentell oder empirisch bestimmt werden.
Bei Schritt S260 verwendet der Controller 80 entweder den ersten Druck oder den zweiten Druck, je nachdem, welcher höher ist, als ausgewählten Druck. Bei Schritt S270 regelt der Controller 80 die Anodengaszufuhrmenge des Anodengaszufuhr-/zirkulationssystems 50, sodass der Anodengaszufuhrdruck der ausgewählte Druck wird. Auf diese Weise ist es möglich, flüssiges Wasser, das in den Anodengasströmungspfaden 105 der Einheitszellen 24 verbleibt, aus den Einheitszellen 24 abzulassen, wodurch ein Lösen der Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser ermöglicht wird.
Bei Schritt S280 entscheidet der Controller 80, ob die Anpassung der Anodengaszufuhrmenge in Schritt S270 beendet ist. Eine Beendigungsbedingung kann in diesem Fall beispielsweise sein, dass, wenn der Anhaltmodusbetrieb aus Schritt S230 ausgeführt wurde, die Zellspannung der Einheitszellen 24 auf einen Endspannungswert oder niedriger sinkt. Dieser Endspannungswert ist ein Wert, an dem die Zellspannung niedrig genug ist, um zu beurteilen, dass ein anschließendes Einstellen des Stroms auf null nie eine Verschlechterung der Einheitszellen 24 verursacht. Für den Endspannungswert wird beispielsweise ein Wert von 0,80 V bis 0,90 V verwendet. Wenn entschieden wird, dass die Anpassung der Anodengaszufuhrmenge nicht beendet wurde, kehrt der Prozessablauf zu Schritt S270 zurück. Wenn dagegen entschieden wird, dass die Anpassung der Anodengaszufuhrmenge beendet wurde, schreitet der Prozessablauf zu Schritt S290 fort, wo die Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser beendet wird. Wenn der Anhaltmodusbetrieb bei Schritt S230 gestartet wurde, wird der Anhaltmodusbetrieb ebenfalls beendet, wobei der Betrieb aller Systeme des Brennstoffzellensystems 10 angehalten wird.
4 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für Zeitvariationen bei einer Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55, Anodengaszufuhrdruck, Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20 und Zellspannung während Ausführung der Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser zeigt. 4 zeigt einen Fall, in dem der Controller 80 bei Schritt S260 aus 3 den zweiten Druck P2 als ausgewählten Druck einstellt.
Während einer Zeitspanne von Zeit t0 bis Zeit t1 führt das Brennstoffzellensystem 10 einen normalen Betrieb aus. Hier impliziert der Begriff „normaler Betrieb“ einen Zustand, in dem die Reaktionsgase ausreichend zugeführt werden und das Brennstoffzellensystem 10 erfolgreich betrieben wird.
Zur Zeit t1 wird von dem Systemschalter 200 eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben. Bei diesem Beispiel wird, wenn eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems 10 ausgegeben wird, entschieden, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt wird (S210-S220, 3). Dementsprechend führt das Brennstoffzellensystem 10 während einer Zeitspanne von Zeit t1 bis Zeit t2 den Anhaltmodusbetrieb aus (S230, 3), um eine kleine Stromstärke aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abzuleiten. In diesem Fall wird die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 verringert, um Geräusch und Vibrationen zu reduzieren. Mit sinkender Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 sinkt die Anodengaszufuhrmenge auf einen Pegel, der dem Druck P0 entspricht, und es wird ein erster Druck P1 zur Sicherstellung des stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases berechnet (S240, 3). In dem Beispiel aus 4 wird, da der erste Druck P1 niedriger ist als der zweite Druck P2 zur Lösung der Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser, der Anodengaszufuhrdruck auf den zweiten Druck P2 angepasst (S250-S270, 3). Mit dieser Anordnung wird flüssiges Wasser, das in den Anodengasströmungspfaden 105 der Einheitszellen 24 verbleibt, aus den Einheitszellen 24 abgelassen, sodass die Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser gelöst werden kann. Zur Zeit t1 wird der Verdichter 31 des Kathodengaszufuhr-/ablasssystems 30 angehalten, mit dem Ergebnis, dass die Zellspannung der Einheitszellen 24 allmählich sinkt.
Zur Zeit t2 sinkt die Zellspannung der Einheitszellen 24 unter den Endspannungswert Vth, wo die Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser beendet wird (S280-S290, 3). Ab Zeit t2 wird das Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 des Brennstoffzellensystems 10 vollständig angehalten.
5 ist ein weiteres Schaubild, das ein Beispiel für Zeitvariationen bei einer Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55, Anodengaszufuhrdruck, Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20 und Zellspannung während Ausführung der Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser zeigt. 5 zeigt einen Fall, in dem der Controller 80 bei Schritt S260 aus 3 den ersten Druck P1 als ausgewählten Druck einstellt. 5 zeigt einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 10, bei dem ein Fahrzeug mit darin montiertem Brennstoffzellensystem 10 eine Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit, eine Beschleunigungsfahrt und eine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit in dieser Reihenfolge ausführt, wobei angenommen wird, dass das Fahrzeug in einen Stau geraten ist.
Während einer Zeitspanne von Zeit t0 bis Zeit t1 führt das Brennstoffzellensystem 10 den Niedriglastbetrieb aus, da das Brennstoffzellenfahrzeug mit niedriger Geschwindigkeit fährt (z. B. 10 km/h). Selbst bei Niedriglastbetrieb wird bevorzugt, dass das Anodengaszufuhr-/zirkulationssystem 50 und das Kathodengaszufuhr-/ablasssystem 30 so betrieben werden, dass die stöchiometrischen Verhältnisse von Anodengas und Kathodengas jeweils Werte innerhalb eines zweckmäßig Bereichs erreichen (z. B. einen Bereich von 1,2 bis 1,3).
Während das Brennstoffzellensystem 10 den Niedriglastbetrieb ausführt, erreichen das Anodengas und das Kathodengas niedrige Strömungsraten im Ansprechen auf die niedrige Last, sodass eine große Menge an flüssigem Wasser in den Einheitszellen 24 bleibt, um dort die Anodengasströmungspfade 105 zu verstopfen. Folglich kommt es bei den Einheitszellen 24 zu einem Anodengasmangel, sodass bei Zeit t1 eine negative Zellspannung erfasst wird. Gleichzeitig dazu führt in dem Beispiel aus 5 das Brennstoffzellenfahrzeug eine Beschleunigungsfahrt aus, wobei, während der Strom des Brennstoffzellenstapels 20 steigt, die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 steigt und der Anodengaszufuhrdruck ebenfalls steigt. Während der Zeitspanne von Zeit t1 bis Zeit t2 führt das Brennstoffzellensystem 10 den normalen Betrieb aus.
In dem Beispiel aus 5 wird, wenn während dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 eine negative Zellspannung erfasst wird, entschieden, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt wird (S210-S220, 3). Daher wird der erste Druck P1 zur Sicherstellung des stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases berechnet (S240, 3). In dem Beispiel aus 5 wird der Anodengaszufuhrdruck auf den ersten Druck P1 geregelt, da der erste Druck P1 größer ist als der zweite Druck P2 zur Lösung einer Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser (S250-S270, 3). Der Controller 80 passt entweder die Ablassströmungsrate des Injektors 54 und/oder die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 so an, dass das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases einen vorgegebenen Wert annimmt und passt den Anodengaszufuhrdruck auf den ersten Druck P1 an. Bei dieser Anordnung wird flüssiges Wasser, das in den Anodengasströmungspfaden 105 der Einheitszellen 24 verbleibt, aus den Einheitszellen 24 abgelassen, sodass die Verstopfung aufgrund von dem flüssigen Wasser gelöst wird.
Zur Zeit t2 beendet das Brennstoffzellenfahrzeug die Beschleunigungsfahrt, um die Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auszuführen. Ansprechend darauf sinkt die Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20, während die Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe 55 und der Anodengaszufuhrdruck ebenfalls sinkt. Abhängig von der Beendigungsbedingung, beispielsweise, dass die Stromstärke des Brennstoffzellenstapels 20 kleiner wird als eine Beschleunigungsstromstärke I1, beendet das Brennstoffzellensystem 10 die Steuerung zur Lösung von einer Verstopfung durch flüssiges Wasser (S280-S290, 3). Während einer Zeitspanne von Zeit t2 bis Zeit t3 führt das Brennstoffzellensystem 10 den normalen Betrieb aus.
Da der Controller 80 des Brennstoffzellensystems 10 die Anodengaszufuhrmenge steuert, indem der höhere des ersten und des zweiten Drucks verwendet wird, wird, wie oben beschrieben, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die Anodengaszufuhr reduziert im Vergleich zu Fällen, in denen eine große Menge an Anodengas zugeführt wird, um einen Druck sicherzustellen, der zu jeder Zeit ausreichend höher ist als die vorangegangenen Drücke. Auch wird, da der Controller 80 die Anodengaszufuhrmenge bei einem Anhalt- oder einem Niedriglastbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 so steuert, dass der Anodengaszufuhrdruck ein ausgewählter Druck wird, flüssiges Wasser, das in den Anodengasströmungspfaden 105 der Einheitszellen 24 verbleibt, aus den Einheitszellen 24 abgelassen, sodass eine Verstopfung der Anodengasströmungspfade 105 gelöst wird, wodurch eine Verschlechterung der Einheitszellen 24 unterbunden wird.
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 2017135834 [0001]
JP 2014197481 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (20) mit einer Mehrzahl an Einheitszellen (24), in denen Anodengasströmungspfade (105) ausgebildet sind; eine Anodengaszufuhreinheit (50), die eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel Anodengas über eine Anodengas-Zufuhröffnung (25) des Brennstoffzellenstapels zuzuführen; einen Drucksensor (52), der zwischen der Anodengas-Zufuhröffnung und der Anodengaszufuhreinheit angeordnet ist, um einen Anodengaszufuhrdruck zu messen; einen Stromsensor (92), der eingerichtet ist, eine Stromstärke des Brennstoffzellenstapels zu messen; und einen Controller (80), der eingerichtet ist, eine Anodengaszufuhrmenge der Anodengaszufuhreinheit zu steuern und dadurch den Anodengaszufuhrdruck zu steuern, wobei der Controller eingerichtet ist, einen ersten Druck zur Einstellung eines stöchiometrischen Verhältnisses von Anodengas auf einen vorgegebenen Wert zu berechnen, wobei das stöchiometrische Verhältnis aus einer Stromstärke des Brennstoffzellenstapels und der Anodengaszufuhrmenge berechnet wird, dann den ersten Druck mit einem zweiten Druck zu vergleichen, um eine Verstopfung in den Anodengasströmungspfaden aufgrund von flüssigem Wasser zu lösen, um einen höheren Wert von dem ersten Druck und dem zweiten Druck als ausgewählten Druck zu bestimmen, und die Anodengaszufuhrmenge so zu steuern, dass der Anodengaszufuhrdruck der ausgewählte Druck wird, wenn eine Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, die angibt, dass ein Auftreten einer Verstopfung aufgrund von flüssigem Wasser in den Anodengasströmungspfaden von mindestens einer Einheitszelle absehbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Systemschalter (200), der eingerichtet ist, eine Anweisung zum Einschalten und Anhalten des Brennstoffzellensystems zu geben; und eine Zellüberwachungsvorrichtung (95), die eingerichtet ist, eine Zellspannung der Mehrzahl der Einheitszellen zu erfassen, wobei entschieden wird, dass die Verstopfungsabsehbarkeitsbedingung erfüllt ist, wenn eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems von dem Systemschalter ausgegeben wurde, oder wenn die Zellüberwachungsvorrichtung während dem Betrieb des Brennstoffzellensystems eine negative Spannung erfasst hat.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der vorgegebene Wert des stöchiometrischen Verhältnisses des Anodengases innerhalb von einem Bereich von 1,2 bis 1,3 befindet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anodengaszufuhreinheit Folgendes umfasst: einen Injektor (54), der eingerichtet ist, Anodengas aus einem Anodengastank an die Anodengas-Zufuhröffnung zuzuführen; eine Anodengasrückführrohrleitung (61), die eingerichtet ist, Anodengas, das aus einer Anodengas-Austragsöffnung des Brennstoffzellenstapels abgelassen wurde, an die Anodengas-Zufuhröffnung zurückzuführen; und eine Anodengas-Umwälzpumpe (55), die in der Anodengasrückführrohrleitung platziert ist, wobei der Controller eingerichtet ist, eine Ablassströmungsrate des Injektors und/oder eine Drehzahl der Anodengas-Umwälzpumpe so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Anodengases den vorgegebenen Wert annimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der zweite Druck ein Wert ist, der sich aus einer Addition von Anodengaszufuhrdruck, welcher während einem Anhaltmodusbetrieb sinkt, der ausgeführt wird, nachdem von dem Systemschalter eine Anweisung zum Anhalten des Brennstoffzellensystems ausgegeben wurde und bevor das Brennstoffzellensystem angehalten wird, sowie einer Druckzunahme ergibt, die ein Ablassen von in den Anodengasströmungspfaden befindlichem flüssigen Wasser erlaubt.