-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 28. November 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung
JP 2017-227544 , deren Inhalt durch Inbezugnahme hiermit in diese Anmeldung mit aufgenommen wird.
-
HINTERGRUND
-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
-
Herkömmliche vorbekannte Brennstoffzellensysteme umfassen Brennstoffzellen (einen Brennstoffzellenstapel), die über elektrochemische Reaktionen von Reaktionsgasen, zwischen einem Oxidationsgas wie Luft und einem Brenngas wie Wasserstoff, Elektrizität erzeugen.
-
In einem solchen Brennstoffzellensystem wird bei der Elektrizitätserzeugung Wasser produziert, und wenn das produzierte Wasser nach der Unterbrechung der Elektrizitätserzeugung in den Brennstoffzellen verbleibt, kann es zum Beispiel beim Absinken der Umgebungstemperatur gefrieren und dadurch den Wirkungsgrad der nächsten Elektrizitätserzeugung reduzieren.
-
Ein Brenngaszufuhrsystem, das eingerichtet ist, um ein Brenngas wie Wasserstoff zu den Brennstoffzellen zu fuhren, umfasst beispielsweise eine Brenngasversorgung (oder einen Wasserstoffbehälter), die ein Hochdruck-Brenngas bevorratet, einen Brenngaszufuhrkanal (Rohr), der eingerichtet ist, um ein Brenngas in der Brenngasversorgung zu den Brennstoffzellen zu führen, einen Umwälzkanal, der eingerichtet ist, um ein aus den Brennstoffzellen ausgetragenes Brennstoffabgas (oder unverbrauchtes Brenngas) zum Brenngaszufuhrkanal zurückzuführen, und dergleichen, und der Brenngaszufuhrkanal (insbesondere ein Teilabschnitt, der einem Abschnitt, wo der Brenngaszufuhrkanal und der Umwälzkanal sich vereinen, stromaufwärts vorgelagert ist) ist mit einem Injektor versehen, der eingerichtet ist, um das Brenngas den Brennstoffzellen zuzuführen, indem die Durchflussmenge und der Druck des Brenngases und dergleichen verstellt wird. In einem solchen Brenngaszufuhrsystem des Brennstoffzellensystems kann Wasser, das im Brenngas, das aus den Brennstoffzellen ausgetragen und dann über den Umwälzkanal dem Brenngaszufuhrkanal zugeführt wird, enthalten ist, in einem den Injektor und die Brennstoffzellen verbindenden Rohr (das heißt, in einem dem Injektor stromabwärts nachgelagerten Teilabschnitt), beispielsweise infolge eines Abfalls der Umgebungstemperatur, gefrieren und dadurch eine Verstopfung (Zufrieren) des Rohrs verursachen.
-
Um eine Reduzierung des Wirkungsgrads durch ein solches Gefrieren zu verhindern, wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine Spül- oder Durchblasbehandlung durchgeführt wird, indem unmittelbar nach dem Unterbrechen der Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzellen ein Trockengas zu den Brennstoffzellen geführt wird, um Wasser, das in den Brennstoffzellen verbleibt und das am Rohr und ähnlichen Elementen des Brennstoffzellensystems anhaftet, vorab auszutragen (siehe beispielsweise
JP 2008 -
218164 A ).
-
Stand der Technik
-
Im in
JP 2008-218164 A usw. beschriebenen Stand der Technik muss jedoch zur Durchführung der Spülbehandlung der Betrieb der Brennstoffzellen unterbrochen werden, und zudem lässt sich das Abführen von Wasser (Eis) nach draußen nur schwer bewerkstelligen, wenn es erst einmal in einer Umgebung mit niedriger Temperatur gefroren ist.
-
Die vorliegende Offenbarung wurde in Anbetracht des oben erwähnten Problems entwickelt und stellt ein Brennstoffzellensystem bereit, das die Verstopfung eines Rohrs durch Gefrieren von Wasser in einem Brenngaszufuhrsystem des Brennstoffzellensystems effektiv unterbindet, ohne dass der Betrieb der Brennstoffzellen unterbrochen werden muss, und somit sehr betriebssicher ist.
-
KURZFASSUNG
-
Zur Lösung des oben erwähnten Problems wird gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Brennstoffzellen, einen Brenngaszufuhrkanal, der eingerichtet ist zum Zuführen eines Brenngases zu den Brennstoffzellen, eine Brennstoffzufuhrvorrichtung, die eingerichtet ist zum Zuführen des Brenngases zu den Brennstoffzellen über den Brenngaszufuhrkanal, einen Umwälzkanal, der eingerichtet ist zum Umwälzen eines aus den Brennstoffzellen zum Brenngaszufuhrkanal ausgetragenen Brennstoffabgases, eine im Umwälzkanal angeordnete Umwälzpumpe, die dazu eingerichtet ist, das Brennstoffabgas unter Druck zum Brenngaszufuhrkanal zu führen, so dass es dort umgewälzt wird, und eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Brennstoffzufuhrvorrichtung und/oder der Umwälzpumpe, wobei, wenn vermutet wird, dass stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung gefrierendes Wasser vorhanden ist, die Steuereinheit das Verhältnis der Menge des von der Umwälzpumpe zu liefernden Brenngases zur Menge des von der Brennstoffzufuhrvorrichtung zu liefernden Brenngases relativ erhöht.
-
In einigen Ausführungsformen ist ein Drucksensor stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung und stromaufwärts eines Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal und der Umwälzkanal im Brenngaszufuhrkanal vereinen, angeordnet, und die Steuereinheit ist so eingerichtet, dass sie anhand des Grads einer Erhöhung des vom Drucksensor ermittelten Drucks vermutet, dass stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung gefrierendes Wasser vorhanden ist.
-
Wenn in einigen Ausführungsformen vermutet wird, dass stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung gefrierendes Wasser vorhanden ist, erhöht die Steuereinheit die Menge des von der Umwälzpumpe zuzuführenden Brenngases, und wenn ferner vermutet wird, dass stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung eine Verstopfung durch Gefrieren von Wasser vorliegt, unterbricht die Steuereinheit den Betrieb der Brennstoffzufuhrvorrichtung.
-
Wenn in einigen Ausführungsformen vermutet wird, dass stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung gefrierendes Wasser vorhanden ist, erhöht die Steuereinheit einen Sollwert für eine Kühlmitteltemperatur eines den Brennstoffzellen zuzuführenden Kühlmittels.
-
In einigen Ausführungsformen sind der Brenngaszufuhrkanal und der Umwälzkanal über ein T-förmiges Verbindungsrohr verbunden, so dass der Umwälzkanal senkrecht zum Brenngaszufuhrkanal steht, und die Brennstoffzufuhrvorrichtung ist stromaufwärts eines Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal und der Umwälzkanal im Brenngaszufuhrkanal vereinen, angeordnet.
-
Da das Brenngas, das von der im Umwälzkanal angeordneten Umwälzpumpe zugeführt wird, gewöhnlich wärmer ist als das Brenngas, das von der im Brenngaszufuhrkanal angeordneten Brennstoffzufuhrvorrichtung zugeführt wird, wird gemäß der vorliegenden Offenbarung bei Erkennung oder Vermutung, dass ein mögliches Gefrieren von Wasser stromabwärts der Brennstoffzufuhrvorrichtung vorliegt, die Menge des Brenngases, das von der im Umwälzkanal angeordneten Umwälzpumpe zugeführt werden soll, im Vergleich zur Menge des von der Brennstoffzufuhrvorrichtung zuzuführenden Brenngases relativ erhöht, so dass gefrorene Abschnitte wirksam erwärmt werden können, wodurch eine Verstopfung des Rohres durch Gefrieren von Wasser effektiv unterbunden werden kann.
-
Mit dem Brenngaszufuhrkanal und dem Umwälzkanal, die über das T-förmige Verbindungsrohr verbunden sind, kann zudem bewirkt werden, dass das Brenngas aus dem Umwälzkanal effizient (in einer größeren Menge) zur Brennstoffzufuhrvorrichtung geführt wird, die stromaufwärts des Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal und der Umwälzkanal vereinen, angeordnet ist, wodurch die Verstopfung des Rohres durch Gefrieren von Wasser weiter wirksam unterbunden wird.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine Darstellung der Systemgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Querschnittsansicht des Hauptteils eines T-förmigen Verbindungsrohrs, das in einem Abschnitt angeordnet ist, wo ein in 1 dargestellter Brenngaszufuhrkanal und Umwälzkanal sich vereinen;
- 3 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerbetrieb einer in 1 dargestellten Steuereinheit erläutert; und
- 4 ist ein Zeitdiagramm und zeigt chronologisch den Druck eines Brenngases (oder einen von einem Drucksensor ermittelten Erfassungswert), einen Marker (Flag) bei Feststellung des Gefrierens eines Verbindungsrohrs (Gefrierfeststellungsmarker), die Drehzahl einer Umwälzpumpe, einen Sollwert für eine Kühlmitteltemperatur, einen Marker bei Feststellung der Verstopfung eines Verbindungsrohrs (Zufrierfeststellungsmarker), und den Betriebszustand des Injektors.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die Ausgestaltung der vorliegenden Offenbarung wird nachstehend anhand einer in den Figuren dargestellten beispielhaften Ausführungsform im Detail beschrieben. Als Beispiel der vorliegenden Offenbarung werden Brennstoffzellen beziehungsweise ein Brennstoffzellen enthaltendes Brennstoffzellensystem, das in ein Brennstoffzellenfahrzeug einzubauen ist, beschrieben, aber der Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung ist nicht darauf beschränkt.
-
[Systemgestaltung eines Brennstoffzellensystems]
-
Zunächst wird die Systemgestaltung des Brennstoffzellensystems mit Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Verweis auf 1 dargelegt.
-
Ein in 1 dargestelltes Brennstoffzellensystem 1 umfasst beispielsweise Brennstoffzellen (einen Brennstoffzellenstapel) 10, die durch Stapelung mehrerer Brennstoffzellen ausgebildet sind, wobei jede Zelle eine Einheitszelle ist, ein Oxidationsgaszufuhrsystem 20, das eingerichtet ist, um ein Oxidationsgas wie Luft zu den Brennstoffzellen 10 zu führen, ein Brenngaszufuhrsystem 30, das eingerichtet ist, um ein Brenngas wie Wasserstoff zu den Brennstoffzellen 10 zu führen, ein Kühlmittelzufuhrsystem 40, das eingerichtet ist, um die Temperatur der Brennstoffzellen 10 durch Strömen eines Kühlmittels wie Kühlwasser anzupassen, und eine Steuereinheit (oder ein elektronisches Steuergerät (ECU)) 50, das eingerichtet ist, um das Gesamtsystem integral zu steuern.
-
Jede der Brennstoffzellen 10 weist als Polymerelektrolytbrennstoffzelle beispielsweise eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf, die eine Elektrolytmembran mit Ionenpermeabilität sowie eine anodenseitige Katalysatorschicht (Anodenelektrode) und kathodenseitige Katalysatorschicht (Kathodenelektrode), welche die Elektrolytmembran zwischen sich aufweisen, umfasst. Die MEA weist an entgegengesetzten Seiten Gasdiffusionsschichten (GDLs) auf, um ein Brenngas oder ein Oxidationsgas an die MEA bereitzustellen und um die durch elektrochemische Reaktionen erzeugte Elektrizität zu erfassen. Eine solche Membran-Elektroden-Anordnung mit an entgegengesetzten Seiten angeordneten GDLs wird als Membran-Elektrode-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA, Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly) bezeichnet, und die MEGA ist zwischen zwei Separatoren angeordnet. Hierbei ist die MEGA ein Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle. Wenn keine Gasdiffusionsschichten vorgesehen sind, ist die MEA der Stromerzeugungsabschnitt der Brennstoffzelle.
-
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 20 umfasst zum Beispiel einen Oxidationsgaszufuhrkanal (Rohr) 25 zum Zuführen eines Oxidationsgases zu den Brennstoffzellen 10 (oder zu deren Kathodenelektroden), einen Oxidationsgasabführkanal (Rohr) 29 zum Austragen eines Oxidationsmittelabgases, das nach Verwendung des Oxidationsgases für eine elektrochemische Reaktion in jeder Brennstoffzelle produziert wird, aus den Brennstoffzellen 10, und einen Bypasskanal 26 zum Umwälzen des Oxidationsgases, das durch den Oxidationsgaszufuhrkanal 25 zum Oxidationsgasabführkanal 29 unter Umgehung der Brennstoffzellen 10 geführt wird. Jeder Kanal des Oxidationsgaszufuhrsystems 20 kann beispielsweise aus einem Gummischlauch oder einem Metallrohr bestehen.
-
Der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 ist mit einem Luftfilter 21, einem Luftverdichter (Turbokompressor) (nachfolgend einfach als Kompressor bezeichnet) 22, einem Zwischenkühler 23 und dergleichen versehen, die ausgehend von der stromaufwärtigen Seite in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und der Oxidationsgasabführkanal 29 ist mit einem Schalldämpfer 28 und dergleichen versehen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 (oder dessen Luftfilter 21) beispielsweise mit einem Luftdrucksensor und/oder einem Durchflussmesser (die nicht dargestellt sind) versehen ist.
-
Der Luftfilter 21 im Oxidationsgaszufuhrkanal 25 entfernt Staub in dem aus der Atmosphäre anzusaugenden Oxidationsgas (wie Luft).
-
Der Kompressor 22 verdichtet das über den Luftfilter 21 eingetragene Oxidationsgas und führt das verdichtete Oxidationsgas unter Druck dem Zwischenkühler 23 zu.
-
Wenn das aus dem Kompressor 22 eingetragene und druckzugeführte Oxidationsgas durch den Zwischenkühler 23 strömt, kühlt der Zwischenkühler 23 das Oxidationsgas beispielsweise durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel und führt das gekühlte Oxidationsgas zu den Brennstoffzellen 10 (oder deren Kathodenelektroden).
-
Der Oxidationsgaszufuhrkanal 25 ist zudem mit einem Einlassventil 25V versehen, um einen Oxidationsgasstrom zwischen dem Zwischenkühler 23 und den Brennstoffzellen 10 abzusperren. Es sei darauf hingewiesen, dass das Einlassventil 25V ein Rückschlagventil sein kann, dass so ausgestaltet ist, dass es öffnet, wenn der Strom des Oxidationsgases vom Zwischenkühler 23 in Richtung der Brennstoffzellen 10 fließt, und damit den Durchgang des Oxidationsgases gestattet, und dass es schließt, wenn der Strom des Oxidationsgases von den Brennstoffzellen 10 in Richtung des Zwischenkühlers 23 fließt, und damit den Durchgang des Oxidationsgases blockiert.
-
Der Bypasskanal 26 ist an einem Ende mit dem Oxidationsgaszufuhrkanal 25 (oder dessen Zwischenkühler 23 oder stromabwärts des Zwischenkühlers 23) und am anderen Ende mit dem Oxidationsgasabführkanal 29 verbunden. Das heißt mit anderen Worten, der Bypasskanal 26 zweigt vom Oxidationsgaszufuhrkanal 25 (oder dessen Zwischenkühler 23 oder stromabwärts vom Zwischenkühler 23) zum Oxidationsgasabführkanal 29 ab und ist mit diesem verbunden. Im Bypasskanal 26 strömt das Oxidationsgas, das vom Kompressor 22 druckzugeführt, vom Zwischenkühler 23 gekühlt und dann ausgetragen wurde, zum Oxidationsgasabführkanal 29 unter Umgehung der Brennstoffzellen 10. Der Bypasskanal 26 ist mit einem Bypassventil 26V versehen, um die Durchflussmenge des durch den Bypasskanal 26 strömenden Oxidationsgases zu regeln, indem das zum Oxidationsgasabführkanal 29 strömende Oxidationsgas blockiert wird.
-
Im Oxidationsgasabführkanal 29 trennt der Schalldämpfer 28 das durch den Oxidationsgasabführkanal 29 strömende Oxidationsmittelabgas beispielsweise in Gasphase und Flüssigphase, die nach außen abzuführen sind.
-
Der Oxidationsgasabführkanal 29 ist mit einem Druckregelventil 29V zum Regeln des Staudrucks des zu den Brennstoffzellen 10 geführten Oxidationsgases versehen. Der oben genannte Bypasskanal 26 ist mit der stromabwärtigen Seite des Druckregelventils 29V verbunden.
-
Das Brenngaszufuhrsystem 30 umfasst indes beispielsweise eine Brenngasversorgung 31 wie einen Wasserstoffbehälter, der ein Hochdruck-Brenngas wie Wasserstoff bevorratet, einen Brenngaszufuhrkanal (Rohr) 35 zum Zuführen des von der Brenngasversorgung 31 eingespeisten Brenngases zu den Brennstoffzellen 10 (oder zu deren Anodenelektroden), einen Umwälzkanal 36 zum Zurückführen eines aus den Brennstoffzellen 10 ausgetragenen Brennstoffabgases (unverbrauchtes Brenngas) zum Brenngaszufuhrkanal 35, und einen Brenngasabführkanal (Rohr) 39, der vom Umwälzkanal 36 abzweigt, um das Brennstoffabgas im Umwälzkanal 36 nach draußen zu führen (an die Luft abzugeben). Jeder Kanal des Brenngaszufuhrsystems 30 kann beispielsweise aus einem Gummischlauch oder einem Metallrohr bestehen.
-
Der Brenngaszufuhrkanal 35 ist versehen mit einem Absperrventil 35V, das eingerichtet ist, um das zu den Brennstoffzellen 10 strömende Brenngas durch Öffnen und Schließen des Brenngaszufuhrkanals 35 zu blockieren, einem Regler 34, der eingerichtet ist, um den Druck des durch den Brenngaszufuhrkanal 35 strömenden Brenngases zu regulieren (zu reduzieren), und einem Injektor (oder einer Brennstoffzufuhrvorrichtung) 33, der eingerichtet ist, um das Brenngas druckgeregelt den Brennstoffzellen 10 zuzuführen, wobei das Absperrventil 35V, der Regler 34 und der Injektor 33 ausgehend von der stromaufwärtigen Seite in dieser Reihenfolge im Brenngaszufuhrkanal 35 positioniert sind. Wenn das Absperrventil 35V geöffnet ist, strömt ein Hochdruck-Brenngas, das in der Brenngasversorgung 31 bevorratet wird, zum Brenngaszufuhrkanal 35 aus und wird zu den Brennstoffzellen 10 (oder deren Anodenelektroden) geführt, wobei sein Druck durch den Regler 34 und den Injektor 33 geregelt (reduziert) wird.
-
Zudem sind ein Drucksensor (oder ein primärseitiger Drucksensor) 34P und ein Temperatursensor 34T, die zum Erfassen des Drucks beziehungsweise der Temperatur des Brenngases eingerichtet sind, in stromaufwärts des Injektors 33 (insbesondere zwischen dem Regler 34 und dem Injektor 33) gelegenen Abschnitten im Brenngaszufuhrkanal 35 vorgesehen. Außerdem sind ein Drucksensor (oder ein sekundärseitiger Drucksensor) 33P, der zum Erfassen des Drucks des Brenngases (des Drucks am Auslass des Injektors 33) eingerichtet ist, und ein Entlastungsventil 35R, das so eingerichtet ist, dass es öffnet, wenn der Druck im Brenngaszufuhrkanal 35 einen vorherbestimmten Betriebsdruck erreicht hat, in Teilabschnitten stromabwärts des Injektors 33 und stromaufwärts des Abschnitts (oder eines Verbindungsabschnitts), wo sich der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 vereinen, vorgesehen.
-
Der Umwälzkanal 36 ist mit einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37, einer Umwälzpumpe (auch bezeichnet als Wasserstoffpumpe) 38 und dergleichen versehen, die ausgehend von der stromaufwärtigen Seite (der Seite der Brennstoffzellen 10) in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
-
Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 trennt das durch den Umwälzkanal 36 strömende Brenngas (wie Wasserstoff), im dem erzeugtes Wasser enthalten ist, in Gas und Flüssigkeit und bevorratet diese. Ein Brenngasabführkanal 39 ist so vorgesehen, dass er vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 abzweigt.
-
Die Umwälzpumpe 38 ist eingerichtet, um das vom Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 in Gas und Flüssigkeit getrennte Brennstoffabgas zum Brenngaszufuhrkanal 35 (oder zur stromabwärtigen Seite von dessen Injektor 33) zu führen und dort umzuwälzen.
-
Der Brenngasabführkanal 39 ist mit einem Ablassventil 39V versehen, das so eingerichtet ist, dass es den Brenngasabführkanal 39 öffnet und schließt, um das erzeugte, durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 37 aus dem Brenngas abgeschiedene Wasser sowie einen Teil des aus den Brennstoffzellen 10 abgeführten Brennstoffabgases auszutragen.
-
Das durch die Öffnungs- und Schließverstellung des Ablassventils 39V des Brenngasabführkanals 39 ausgetragene Brennstoffabgas wird mit dem durch den Oxidationsgasabführkanal 29 strömenden Oxidationsmittelabgas gemischt und dann über den Schalldämpfer 28 an die Außenluft abgegeben.
-
Im Brennstoffzellensystem 1 mit der oben genannten Ausgestaltung erfolgt die Erzeugung von Elektrizität durch elektrochemische Reaktionen zwischen einem Oxidationsgas wie Luft, das über das Oxidationsgaszufuhrsystem 20 zu den Brennstoffzellen 10 (oder deren Kathodenelektroden) geführt wird, und einem Brenngas wie Wasserstoff, das über das Brenngaszufuhrsystem 30 zu den Brennstoffzellen 10 (oder deren Anodenelektroden) geführt wird.
-
Das Kühlmittelzufuhrsystem 40 umfasst beispielsweise einen Kühlmittelkanal (Rohr) 45, der einen Einlass und einen Auslass eines in den Brennstoffzellen 10 angeordneten Kühlkanals verbindet, um ein Kühlmittel darin umzuwälzen.
-
Der Kühlmittelkanal 45 ist versehen mit einem Radiator 41, der eingerichtet ist, um das aus den Brennstoffzellen 10 ausgetragene Kühlmittel zu kühlen, einer Kühlmittelpumpe 42, die eingerichtet ist, um das Kühlmittel im Kühlmittelkanal 45 von der Auslassseite her anzusaugen und zur Einlassseite zu fördern, und einem Kühltemperatursensor 45T, der eingerichtet ist, um die Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkanal 45 zu erfassen.
-
Die Steuereinheit 50 ist eingerichtet, um den Betrieb verschiedener Vorrichtungen im System zu steuern, wenn Steuerinformationen aus den in einem Fahrzeug angeordneten verschiedenen Vorrichtungen eingehen. Die Steuereinheit 50 ist beispielsweise eingerichtet, um den Betrag der Betätigung einer im Fahrzeug angeordneten Beschleunigungsbetätigungsvorrichtung (wie eines Gaspedals) zu erfassen und die aus den Brennstoffzellen 10 zu ziehende Elektrizität (oder den elektrischen Leistungsbedarf) zu berechnen, so dass ein Brenngas und ein Oxidationsgas über das Brenngaszufuhrsystem 30 beziehungsweise Oxidationsgaszufuhrsystem 20 in Mengen, die dem Betrag der zu erzeugenden elektrischen Leistung entsprechen, zu den Brennstoffzellen 10 geführt werden.
-
Die Steuereinheit 50 umfasst ein Computersystem (nicht dargestellt), das eine CPU, ROM, RAM, eine Festplatte (HDD), eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, eine Anzeige und so weiter aufweist. Im Computersystem werden verschiedene Steuervorgänge so realisiert, dass verschiedene Steuerungsprogramme, die im ROM aufgezeichnet sind, von der CPU ausgelesen und ausgeführt werden.
-
In der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, sind dabei der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 über ein T-förmiges Verbindungsrohr 35J miteinander verbunden. Insbesondere ist das T-förmige Verbindungsrohr 35J im Abschnitt (oder Verbindungsabschnitt), wo sich der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 vereinen, angeordnet, so dass der Umwälzkanal 36 senkrecht zum Brenngaszufuhrkanal 35 steht. Ein Ende des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J auf der stromaufwärtigen Seite im Brenngaszufuhrkanal 35 (oder ein Endabschnitt auf der stromaufwärtigen Seite des Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 vereinen) ist mit dem Injektor 33 gekoppelt, ein Ende des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J auf der stromabwärtigen Seite im Brenngaszufuhrkanal 35 (oder ein Endabschnitt auf der stromabwärtigen Seite des Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 vereinen) ist mit den Brennstoffzellen 10 gekoppelt, und ein Ende des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J auf der Seite des Umwälzkanals 36 ist mit der Umwälzpumpe 38 gekoppelt. Das heißt, im vorliegenden Beispiel sind die Brennstoffzellen 10 und der Injektor 33, die separat vorgesehen sind (als separate Teile vorgesehen sind), über das T-förmige Verbindungsrohr 35J miteinander gekoppelt. Im vorliegenden Beispiel ist zudem der Injektor 33 rechtwinklig gekoppelt mit dem Brenngaszuführkanal 35 im T-förmigen Verbindungsrohr 35J am Ende des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J auf der stromaufwärtigen Seite im Brenngaszufuhrkanal 35. Das heißt, im vorliegenden Beispiel werden das Brenngas aus dem Injektor 33 und das Brenngas (oder das Brennstoffabgas) aus dem Umwälzkanal 36 (oder der dort angeordneten Umwälzpumpe 38) im T-förmigen Verbindungsrohr 35J an versetzten Positionen und aus jeweils senkrecht zum Brenngaszufuhrkanal 35 stehenden Richtungen zum Brenngaszufuhrkanal 35 geführt.
-
Aufgrund der oben genannten Ausgestaltung prallt ein Strahl (oder Dampf) des Brenngases (oder Brennstoffabgases) aus dem Umwälzkanal 36 gegen die Wandfläche im T-förmigen Verbindungsrohr 35J, und eine Teilmenge des Brenngases strömt auf der stromaufwärtigen Seite (auf der Seite des Injektors 33) im Brenngaszufuhrkanal 35 zum Ende des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J (siehe die Pfeile in 2). Da das aus dem Injektor 33 zugeführte Brenngas ein kaltes Gas mit einer Temperatur von unter null Grad Celsius ist, wird der Dampf des zur stromaufwärtigen Seite geflossenen Brenngases abgekühlt und gefriert dann an der Innenwand des Brenngaszufuhrkanals 35 auf der Seite des Injektors 33. Das gefrorene Brenngas kann sich im Zuge des Betriebs der Brennstoffzellen 10 ansammeln, wodurch es zu einer Verstopfung durch Zufrieren kommen kann.
-
Um ein Gefrieren oder Zufrieren des oben genannten T-förmigen Verbindungsrohrs 35J (das heißt, des Rohrs, das den Injektor 33 im Brenngaszufuhrsystem 30 und die Brennstoffzellen 10 verbindet) zu verhindern, ist die Steuereinheit 50 in der vorliegenden Ausführungsform eingerichtet, um den Betrieb des Injektors 33, der im Brenngaszufuhrkanal 35 angeordnet ist, der Umwälzpumpe 38, die im Umwälzkanal 35 angeordnet ist, des Radiators 41, der im Kühlmittelkanal 45 angeordnet ist, und dergleichen zu steuern, und zwar mit Hilfe von Erfassungswerten (des Drucks des Brenngases), die vom stromabwärts des Injektors 33 angeordneten Drucksensor (oder sekundärseitigen Drucksensor) 33P ermittelt werden.
-
[Steuerung des Brennstoffzellensystems durch die Steuereinheit]
-
Mit Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 3 und das Zeitdiagramm von 4 wird nachfolgend die oben genannte Steuerung (Steuerung zur Verhinderung des Gefrierens oder Zufrierens) des Brennstoffzellensystems 1 durch die Steuereinheit 50 beschrieben.
-
Die Steuereinheit 50 bestimmt zuerst, ob die Umgebungstemperatur unter null Grad Celsius beträgt (S11).
-
Wenn festgestellt wird, dass die Umgebungstemperatur unter null Grad Celsius liegt (S11: Ja), bestimmt die Steuereinheit 50, ob der Gradient einer Druckerhöhung (der Grad der Druckerhöhung während einer vorherbestimmten Druckerhöhungsbestimmungsperiode), der aus Erfassungswerten (Druckwerten) des stromabwärts vom Injektor 33 angeordneten Drucksensors 33P berechnet wird, gleich oder größer als ein vorherbestimmter Gefrierbestimmungsschwellwert (S12) ist. Wenn festgestellt wird, dass der Gradient der Druckerhöhung gleich oder größer als der Gefrierbestimmungsschwellwert ist (S12: Ja), bestimmt die Steuereinheit 50 zudem, ob der Gradient der Druckerhöhung drei Mal in Folge gleich oder größer als der Gefrierbestimmungsschwellwert ist (S13). Auf diese Weise schätzt die Steuereinheit 50 den Gefrierzustand unter Vermeidung einer Fehlbestimmung.
-
Wenn festgestellt wird, dass der Gradient der Druckerhöhung drei Mal in Folge gleich oder größer als der Gefrierbestimmungsschwellwert ist (S13: Ja), wird ein Gefrierfeststellungsmarker für das Verbindungsrohr gesetzt (S14).
-
Anhand der Information, dass der Marker in S14 gesetzt wurde, erhöht die Steuereinheit 50 die Drehzahl der Umwälzpumpe 38, um die Durchflussmenge (oder Gasmenge) (S15) zu erhöhen, und steuert auch den Radiator 41 und so weiter an, um den Sollwert für die Kühlmitteltemperatur eines durch die Brennstoffzellen 10 strömenden Kühlmittels zu erhöhen (S16). Auf diese Weise erhöht die Steuereinheit 50 die Wärmemenge des Brenngases (oder des Brennstoffabgases) im Umwälzkanal 36 und vermeidet dadurch das Gefrieren des vorgenannten T-förmigen Verbindungsrohrs 35J.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Durchflussmenge (oder Menge) des von der Umwälzpumpe 38 zuzuführenden Brenngases (im Verhältnis zur Durchflussmenge (oder Menge) des vom Injektor 33 zuzuführenden Brenngases) hier erhöht wird, indem die Drehzahl der Umwälzpumpe 38 erhöht wird, aber dass beispielsweise das Verhältnis der Menge des von der Umwälzpumpe 38 zuzuführenden Brenngases zur Menge des vom Injektor 33 zuzuführenden Brenngases dadurch erhöht werden kann, dass die Durchflussmenge (oder Menge) des Brenngases auf der Seite des Injektors 33 geregelt wird.
-
Die Steuereinheit 50 bestimmt daraufhin, ob der Gradient der Druckerhöhung gleich oder größer als ein vorherbestimmter Schwellwert für die Bestimmung einer gefrierbedingten Verstopfung (Zufrieren) ist (S17). Wenn festgestellt wird, dass der Gradient der Druckerhöhung gleich oder größer als der Schwellwert für die Bestimmung einer gefrierbedingten Verstopfung ist (S17: Ja), bestimmt die Steuereinheit 50 zudem, ob der Gradient der Druckerhöhung drei Mal in Folge gleich oder größer als der Schwellwert für die Bestimmung einer gefrierbedingten Verstopfung ist (S18).
-
Wenn festgestellt wird, dass der Gradient der Druckerhöhung drei Mal in Folge gleich oder größer als der Schwellwert für die Bestimmung einer gefrierbedingten Verstopfung ist (S18: Ja), wird ein Zufrierfeststellungsmarker für das Verbindungsrohr gesetzt (S19).
-
Anhand der Information, dass der Marker in S19 gesetzt wurde, unterbricht die Steuereinheit 50 ausfallschadenssicher (Fail-Safe) den Betrieb des Injektors 33 (S20). Auf diese Weise wird eine durch das zugeführte Brenngas aus dem Injektor 33 bewirkte Verringerung der Wärmemenge unterbunden und dadurch ein Zufrieren des vorgenannten T-förmigen Verbindungsrohrs 35J vermieden.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Feststellung, dass die Umgebungstemperatur nicht unter null Grad Celsius liegt (S11: Nein), oder bei Feststellung, dass der Gradient der Druckerhöhung nicht gleich oder größer als der Gefrierbestimmungsschwellwert ist (S12: Nein), der Gefrierfeststellungsmarker für das Verbindungsrohr OFF gesetzt wird (S21) und die Normalregelung ausgeführt wird (S22).
-
Die Steuereinheit 50 erfasst während des Betriebs bei einer Temperatur von unter null Grad Celsius auf die genannte Weise den Gradienten der Erhöhung des Drucks, der durch den stromabwärts des Injektors 33 angeordneten Drucksensor 33P ermittelt wird, und wenn vermutet wird, dass stromabwärts des Injektors 33 gefrierendes Wasser vorhanden ist, erhöht die Steuereinheit 50 die Durchflussmenge des Brenngases in der Umwälzpumpe 38 oder den Sollwert für die Kühlmitteltemperatur, was die Wärmemenge des Brenngases (oder des Brennstoffabgases) im Umwälzkanal 36 erhöht, wodurch ein Zufrieren des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J vermieden wird. Falls die Steuereinheit 50 zudem feststellt, dass eine Regelung des Druckerhöhungsgradienten nicht möglich ist, unterbricht sie den Betrieb des Injektors 33, bevor der Entlastungsdruck erreicht wird, und unterbricht dadurch die Zufuhr eines kalten Gases, um die durch das zugeführte Brenngas aus dem Injektor 33 verursachte Reduzierung der Wärmemenge zu unterdrücken und so ein Zufrieren des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J zu vermeiden.
-
Da, wie weiter oben beschrieben, das Brenngas, das von der im Umwälzkanal 36 angeordneten Umwälzpumpe 38 zugeführt wird, gewöhnlich wärmer ist als das Brenngas, das von dem im Brenngaszufuhrkanal 35 angeordneten Injektor (oder Brennstoffzufuhrvorrichtung) 33 zugeführt wird, wird im Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform bei Erkennung oder Vermutung, dass ein mögliches Gefrieren von Wasser stromabwärts des Injektors 33 vorliegt, die Menge des Brenngases, das von der im Umwälzkanal 36 angeordneten Umwälzpumpe 38 zugeführt werden soll, im Vergleich zur Menge des Brenngases, das vom Injektor 33 zugeführt werden soll (das heißt, die Menge des von der Umwälzpumpe 38 zuzuführenden Brenngases im Verhältnis zur Menge des vom Injektor 33 zuzuführenden Brenngases), relativ erhöht, so dass gefrorene Abschnitte wirksam erwärmt werden können, wodurch eine Verstopfung des Rohres durch Gefrieren von Wasser effektiv unterbunden werden kann.
-
Mit dem Brenngaszufuhrkanal 35 und dem Umwälzkanal 36, die über das T-förmige Verbindungsrohr 35J verbunden sind, kann zudem bewirkt werden, dass das Brenngas aus dem Umwälzkanal 36 effizient (in einer größeren Menge) zum Injektor 33 geführt wird, der stromaufwärts des Abschnitts, wo sich der Brenngaszufuhrkanal 35 und der Umwälzkanal 36 vereinen, angeordnet ist, wodurch eine Verstopfung des Rohres durch Gefrieren von Wasser weiter wirksam unterbunden wird.
-
Es sei daraufhingewiesen, dass in der vorgenannten Ausführungsform als ein Beispiel für die Brennstoffzufuhrvorrichtung ein Injektor 33 beschrieben wurde, der zum Zuführen eines Brenngases zu den Brennstoffzellen 10 eingerichtet ist, aber dass als Brennstoffzufuhrvorrichtung auch ein Ejektor verwendet werden kann, der zum Abführen und Zuführen des von der Brenngasversorgung 31 zu den Brennstoffzellen 10 geführten Brenngases eingerichtet ist.
-
In der vorgenannten Ausführungsform erfolgt die Vermutung des Vorhandenseins von gefrierendem Wasser oder einer Verstopfung infolge gefrierenden Wassers in einem stromabwärts des Injektors 33 gelegenen Teilabschnitt ausgehend vom Grad der Erhöhung des Drucks, der durch den stromabwärts des Injektors 33 angeordneten Drucksensor 33P ermittelt wird, aber es versteht sich, dass auf das Vorhandensein von gefrierendem Wasser oder einer Verstopfung infolge gefrierenden Wassers in einem stromabwärts des Injektors 33 gelegenen Teilabschnitt beispielsweise auch anhand der Temperatur einer stromabwärts des Injektors 33 gelegenen Leitung (wie des T-förmigen Verbindungsrohrs 35J), der Umgebungstemperatur und so weiter geschlossen werden kann.
-
Obwohl hier die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Verweis auf die Zeichnungen detailliert beschrieben wurde, ist die spezielle Ausgestaltung nicht darauf beschränkt, und konstruktive Änderungen, die im Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung liegen, sind in der vorliegenden Offenbarung sämtlich mit erfasst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellensystem
- 10
- Brennstoffzellen (Brennstoffzellenstapel, Stack)
- 20
- Oxidationsgaszufuhrsystem
- 30
- Brenngaszufuhrsystem
- 33
- Injektor (Brennstoffzufuhrvorrichtung)
- 33P
- Drucksensor (sekundärseitiger Drucksensor)
- 35
- Brenngaszufuhrkanal (Rohr)
- 35J
- T-förmiges Verbindungsrohr
- 35R
- Entlastungsventil
- 36
- Umwälzkanal
- 37
- Gas-Flüssigkeits-Abscheider
- 38
- Umwälzpumpe
- 40
- Kühlmittelzufuhrsystem
- 41
- Radiator
- 42
- Kühlmittelpumpe
- 45
- Kühlmittelkanal
- 50
- Steuereinheit
-
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 2017227544 [0001]
- JP 2008 [0006]
- JP 218164 A [0006]
- JP 2008218164 A [0007]
