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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
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Um die Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle zu steigern, ist es wünschenswert, der Brennstoffzelle eine notwendige und ausreichende Menge an Kathodengas und Anodengas zuzuführen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, die jeweilige Durchflussmenge des Kathodengases und des Anodengases zu erfassen, die der Brennstoffzelle zugeführt wird. Wie zum Beispiel in der
JP 2010 177 123 A offenbart ist, kann an einer Kathodengaszufuhröffnung der Brennstoffzelle ein Durchflussmesser vorgesehen werden, um die Durchflussmenge des Kathodengases zu messen, die der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Wenn der Brennstoffzelle ein Kathodengas zugeführt wird, ist zu beachten, dass der Druck des Kathodengases durch einen Verdichter erhöht werden kann, wie in der
JP 2010 177 123 A und der
JP 2009 123 550 A offenbart ist.
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Bei Brennstoffzellen gibt es Fälle, in denen im Hochlastbetrieb, etwa bei Anforderungen an eine hohe Ausgangsleistung, oder im Hochtemperaturbetrieb die Durchflussmenge an Kathodengas und der Gasdruck erhöht werden. In diesem Fall ändern sich in einer Übergangsphase die Temperatur und der Druck des Gases in einem Kathodengaskanal stark. Darüber hinaus gibt es Fälle, in denen die Durchflussmenge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, durch eine Verteilungssteuerung verringert wird. In diesem Fall tendiert der Gasdruck in dem Kathodengaskanal dazu zu schwanken. Abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle können sich die Gastemperatur und der Gasdruck in der Umgebung einer Kathodengaszufuhröffnung der Brennstoffzelle innerhalb einer Sekunde beispielsweise jeweils von der Umgebungstemperatur auf 100°C und vom Atmosphärendruck auf 3 atm ändern.
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In gewöhnlichen Gasdurchflussmessern wird die Gasdurchflussmenge gemessen, während sie unter Verwendung numerischer Werte korrigiert wird, die durch einen Drucksensor und/oder einen Temperatursensor ermittelt werden. Solche Gasdurchflussmesser sind für die Verwendung in Umgebungen gedacht, in denen keine plötzlichen Temperatur- oder Druckänderungen stattfinden, und sie reagieren entsprechend schlecht auf plötzliche Temperatur- oder Druckänderungen. In den oben genannten Umgebungen, in denen sich die Temperatur oder der Druck plötzlich ändert, ist es daher unmöglich, den Gasdurchflussmesser reaktionsschnell zu korrigieren, was zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit des Gasdurchflussmessers führt und weswegen das Risiko besteht, dass die Gasdurchflussmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, nicht genau gemessen werden kann.
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Die Erfindung sieht als ein Mittel zur Lösung der oben genannten Probleme ein Brennstoffzellensystem vor, das Folgendes umfasst:
- eine Brennstoffzelle,
- einen ersten Strömungskanal, durch den der Brennstoffzelle ein Kathodengas zugeführt wird,
- einen zweiten Strömungskanal, durch den aus der Brennstoffzelle ein Kathodenabgas abgegeben wird,
- einen Umgehungsströmungskanal, der vom ersten Strömungskanal abzweigt und der mit dem zweiten Strömungskanal verbunden ist,
- einen Verdichter, der im ersten Strömungskanal vorgesehen ist,
- einen ersten Durchflussmesser, der im ersten Strömungskanal vorgesehen ist,
- ein Durchflussmengenregulierungsventil, das im Umgehungsströmungskanal vorgesehen ist,
- einen zweiten Durchflussmesser, der im Umgehungsströmungskanal vorgesehen ist, und
- eine Steuerung, die die Durchflussmenge des Kathodengases steuert, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei
- der Verdichter stromaufwärts von dem Umgehungsströmungskanal angeordnet ist,
- der erste Durchflussmesser stromaufwärts vom Verdichter angeordnet ist,
- der zweite Durchflussmesser stromabwärts vom Durchflussmengenregulierungsventil angeordnet ist und
- die Steuerung die Durchflussmenge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, beruhend auf der Durchflussmenge, die vom ersten Durchflussmesser gemessen wird, und der Durchflussmenge, die vom zweiten Durchflussmesser gemessen wird, steuert.
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In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann der erste Strömungskanal mit einem Befeuchter versehen sein, der zwischen der Brennstoffzelle und dem Umgehungsströmungskanal angeordnet sein kann und das Innere der Brennstoffzelle befeuchten kann, indem er Wasser in dem Kathodenabgas nutzt, das aus der Brennstoffzelle in den zweiten Strömungskanal abgegeben wird.
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In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann in dem ersten Strömungskanal ein Luftfilter vorgesehen sein, der stromaufwärts vom Verdichter angeordnet sein kann.
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In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann der Luftfilter mit dem ersten Durchflussmesser versehen sein.
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In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es auch dann, wenn die Gastemperatur oder der Gasdruck in dem Kathodengasströmungskanal stark schwankt, möglich, die Durchflussmenge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, durch die Verwendung von zum Beispiel einem herkömmlichen Gasdurchflussmesser präzise zu messen und zu steuern.
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Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.
- 1 ist eine erläuternde schematische Ansicht, die die Struktur eines Brennstoffzellensystems 100 zeigt.
- 2 ist eine erläuternde schematische Ansicht, die ein Beispiel anderer Bestandteile des Brennstoffzellensystems 100 zeigt.
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Es folgt eine Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Brennstoffzellensystem
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1 stellt schematisch die Struktur des Brennstoffzellensystems 100 dar. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 Folgendes:
- eine Brennstoffzelle 1,
- einen ersten Strömungskanal 11, durch den der Brennstoffzelle 1 ein Kathodengas zugeführt wird,
- einen zweiten Strömungskanal 12, durch den aus der Brennstoffzelle 1 ein Kathodenabgas abgegeben wird,
- einen Umgehungsströmungskanal 13, der vom ersten Strömungskanal 11 abzweigt und der mit dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden ist,
- einen Verdichter 20, der im ersten Strömungskanal 11 vorgesehen ist,
- einen ersten Durchflussmesser 31, der im ersten Strömungskanal 11 vorgesehen ist,
- ein Durchflussmengenregulierungsventil 40, das im Umgehungsströmungskanal 13 vorgesehen ist,
- einen zweiten Durchflussmesser 32, der im Umgehungsströmungskanal 13 vorgesehen ist, und
- eine Steuerung 50, die die Durchflussmenge des Kathodengases steuert, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
Der Verdichter 20 ist stromaufwärts vom Umgehungsströmungsweg 13 angeordnet.
Der erste Durchflussmesser 31 ist stromaufwärts vom Verdichter 20 angeordnet.
Der zweite Durchflussmesser 32 ist stromabwärts vom Durchflussmengenregulierungsventil 40 angeordnet.
Die Steuerung 50 steuert die Durchflussmenge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, beruhend auf der Durchflussmenge, die vom ersten Durchflussmesser 31 gemessen wird, und der Durchflussmenge, die vom zweiten Durchflussmesser 32 gemessen wird.
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Brennstoffzelle
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Die Brennstoffzelle 1 wird mit Kathodengas und Anodengas versorgt, um Elektrizität zu erzeugen. Das Kathodengas kann ein sauerstoffhaltiges Gas wie Luft sein. Das Anodengas kann Wasserstoff oder ein anderes Brennstoffgas als Wasserstoff sein. Die Brennstoffzelle 1 kann beispielsweise eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) sein. Die Brennstoffzelle 1 kann ein Brennstoffzellenstapel sein. Das Verbindungsverfahren für die Brennstoffzelle 1 und die Strömungskanäle, das im Folgenden diskutiert wird, ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt. Zum Beispiel kann eine Verbindung verwendet werden, die herkömmliche Rohrleitungssysteme nutzt.
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Erster Strömungskanal
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Der erste Strömungskanal 11 definiert einen Kanal, durch den der Brennstoffzelle 1 das Kathodengas zugeführt wird. Ein Ende des ersten Strömungskanals 11 auf der stromaufwärtigen Seite kann beispielsweise mit einer Kathodengasquelle verbunden sein und das andere Ende auf der stromabwärtigen Seite kann mit einer Kathodengaszufuhröffnung der Brennstoffzelle 1 verbunden sein. Die Form der Kathodengaszufuhrquelle ist nicht besonders beschränkt. Falls als das Kathodengas Luft verwendet wird, kann sich das stromaufwärtige Ende des ersten Strömungskanals 11 in die Atmosphäre öffnen.
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Zweiter Strömungskanal
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Der zweite Strömungskanal 12 definiert einen Kanal, durch den aus der Brennstoffzelle 1 ein Kathodenabgas abgegeben wird. Ein Ende des zweiten Strömungskanals 12 auf der stromaufwärtigen Seite kann zum Beispiel mit einer Kathodenabgasabgabeöffnung der Brennstoffzelle 1 verbunden sein und das andere Ende auf der stromabwärtigen Seite kann sich in die Atmosphäre öffnen. Das Kathodenabgas enthält ein Gas, das durch die Zellenreaktion in der Kathode der Brennstoffzelle 1 erzeugt wird. Das Kathodenabgas kann zum Beispiel Sauerstoff oder Wasser enthalten.
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Umgehungskanal
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Der Umgehungskanal 13 zweigt vom ersten Strömungskanal 11 ab und ist mit dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden. Der Umgehungskanal 13 kann als ein Abgabekanal fungieren, durch den, wenn zum Beispiel die Menge oder der Druck des Kathodengases in dem ersten Strömungskanal 11 zu hoch ist, das überschüssige Kathodengas aus dem ersten Strömungskanal 11 in den zweiten Strömungskanal 12 abgegeben wird. Wenn ein Verdichter 20, der anschließend diskutiert wird, ein Turboverdichter (z. B. ein Radialverdichter) ist, kann der Umgehungskanal 13 darüber hinaus auch die Funktion haben, ein Pumpen des Turboverdichters zu vermeiden. Wenn die Menge des Kathodengases, die von der Brennstoffzelle 1 verlangt wird, unter der unteren Grenzmenge des Turboverdichters liegt, ist es mit anderen Worten möglich, die Kathodengasmenge des Turboverdichters oberhalb der unteren Grenzmenge zu halten, indem der Umgehungskanal 13 verwendet wird, damit das Auftreten von Pumpen vermieden wird. Es ist auch möglich, die Kathodengasmenge, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, zu steuern, indem ein Teil des Kathodengases in den Umgehungskanal 13 abgezweigt wird. Außerdem kann der Umgehungskanal 13 als ein Kanal fungieren, durch den das Kathodengas abgegeben wird, wenn es aus irgendeinem Grund notwendig ist, die Zufuhr des Kathodengases zur Brennstoffzelle 1 einzuschränken oder zu unterbrechen.
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Verdichter
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In dem ersten Strömungskanal 11 ist ein Verdichter 20 vorgesehen. Der Verdichter 20 ist stromaufwärts vom Umgehungskanal 13 angeordnet. Der Verdichter 20 hat die Funktion, den Druck des Kathodengases, das der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, zu erhöhen. Die Art des Verdichters ist nicht besonders beschränkt. Der Verdichter 20 kann zum Beispiel eine Turbo-, Scroll- oder Schraubenwurzelbauart sein. Welche Bauart des Verdichters 20 auch immer verwendet wird, die oben genannte Temperaturschwankung oder Druckschwankung findet im ersten Strömungskanal 11 stromabwärts vom Verdichter 20 statt.
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Erster Durchflussmesser
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Im ersten Strömungskanal 11 ist ein erster Durchflussmesser 31 vorgesehen. Der erste Durchflussmesser 31 ist stromaufwärts vom Verdichter 20 angeordnet. Die stromaufwärtige Seite vom Verdichter 20 ist wahrscheinlich nicht von der oben genannten Temperaturschwankung oder Druckschwankung auf der stromabwärtigen Seite vom Verdichter 20 betroffen. Daher kann die Menge des Kathodengases, die im ersten Strömungskanal 11 in den Verdichter 20 strömt, durch den ersten Durchflussmesser 31 präzise gemessen werden. Das Messverfahren des ersten Durchflussmessers 31 ist nicht besonders beschränkt. Es kann zum Beispiel ein thermischer Durchflussmesser verwendet werden. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 ist es nicht notwendig, als den ersten Durchflussmesser 31 ein teures, dediziertes Messinstrument zu verwenden, und es können anstelle dessen preiswerte Allzweckmessinstrumente verwendet werden.
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Durchflussmengenregulierungsventil
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Im Umgehungsströmungskanal 13 ist ein Durchflussmengenregulierungsventil 40 vorgesehen. Wie oben angegeben wurde, gibt es Fälle, in denen ein Teil des Kathodengases abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 oder dergleichen vom ersten Strömungskanal 11 in den Umgehungsströmungskanal 13 abgezweigt wird. In diesem Fall ist es möglich, die Durchflussmenge des Kathodengases, die in den Umgehungsströmungskanal 13 abgezweigt wird, zu regulieren, indem der Öffnungsgrad des Durchflussmengenregulierungsventils 40 eingestellt wird. Das Durchflussmengenregulierungsventil 40 kann eine beliebige Bauart sein, solange die Durchflussmenge des Kathodengases im Umgehungskanal 13 erhöht oder verringert werden kann, und es ist nicht auf eine bestimmte Ventilbauart beschränkt.
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Zweiter Durchflussmesser
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Im Umgehungsströmungskanal 13 ist ein zweiter Durchflussmesser 32 vorgesehen. Der zweite Durchflussmesser 32 ist stromabwärts vom Durchflussmengenregulierungsventil 40 angeordnet. Die stromabwärtige Seite vom Durchflussmengenregulierungsventil 40 wird wahrscheinlich nicht von der oben genannten Temperaturschwankung oder Druckschwankung im ersten Strömungskanal 11 betroffen sein. Auf der stromabwärtigen Seite vom Durchflussmengenregulierungsventil 40 strömt zum Beispiel nicht das Kathodengas, das vom Verdichter 20 verdichtet worden ist und das einen hohen Druck und/oder eine hohe Temperaturschwankung hat, sondern vielmehr das Kathodengas, dessen Temperatur und Druck annähernd der Umgebungstemperatur und der Atmosphärendruck entsprechen. Dadurch kann die Menge des Kathodengases, die in den Umgehungsströmungskanal 13 strömt, durch den zweiten Durchflussmesser 32 präzise gemessen werden. Das Messverfahren des zweiten Durchflussmessers 32 ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann ein thermischer Durchflussmesser verwendet werden. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 ist es nicht notwendig, als den zweiten Durchflussmesser 32 ein teures, dediziertes Messinstrument zu verwenden, und anstelle dessen können preiswerte Allzweckmessinstrumente verwendet werden.
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Steuerung
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Die Steuerung 50 steuert die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, beruhend auf der Durchflussmenge, die vom ersten Durchflussmesser 31 gemessen wird, und der Durchflussmenge, die vom zweiten Durchflussmesser 32 gemessen wird. Die Steuerung 50 kann auf die gleiche Weise wie herkömmliche Steuerungseinrichtungen konfiguriert sein. Mit anderen Worten kann die Steuerung 50 eine CPU, einen RAM und einen ROM etc. umfassen.
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Wie oben angegeben wurde, wird in dem Brennstoffzellensystem 100 vom ersten Durchflussmesser 31 präzise die Menge des Kathodengases (Durchflussmenge X) gemessen, die in den Verdichter 20 strömt. Die Menge des Kathodengases, die in den Verdichter 20 strömt, ist im Wesentlichen gleich der Menge des Kathodengases, die aus dem Verdichter 20 zu seiner stromabwärtigen Seite strömt. Alternativ kann die Menge des Kathodengases, die aus dem Verdichter 20 zu seiner stromabwärtigen Seite strömt, unter Berücksichtigung des Leistungsvermögens des Verdichters 2 leicht anhand der Menge des Kathodengases ermittelt werden, die in den Verdichter 20 strömt. Darüber hinaus kann in dem Brennstoffzellensystem 100 vom zweiten Durchflussmesser 32 präzise die Menge des Kathodengases (Durchflussmenge Y) gemessen werden, die vom Verdichter 20 in den Umgehungsströmungskanal 13 abgezweigt wird, ohne in die Brennstoffzelle 1 zu strömen. In dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 ist, wie anhand seiner Struktur offensichtlich wird, die Durchflussmenge (X - Y), die der Differenz zwischen der Durchflussmenge X und der Durchflussmenge Y entspricht, zum Beispiel im Wesentlichen gleich der Menge des Kathodengases, das der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
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Daher kann die Steuerung 50 anhand der Differenz zwischen der Durchflussmenge X und der Durchflussmenge Y einen Schätzwert der Durchflussmenge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, ermitteln und beruhend auf dem Schätzwert die Menge des Kathodengases steuern, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird. Falls der Schätzwert der Durchflussmenge des Kathodengases im Einzelnen zum Beispiel unterhalb der Durchflussmenge des Kathodengases liegt, die für die Brennstoffzelle 1 notwendig ist, kann in Übereinstimmung mit einem Signal von der Steuerung 50 die Menge des Kathodengases des Verdichters 20 erhöht werden oder der Öffnungsgrad des Durchflussmengenregulierungsventils 40 verringert werden, um dadurch die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, auf den notwendigen Wert zu erhöhen. Falls der Schätzwert der Durchflussmenge des Kathodengases des Weiteren über der Durchflussmenge des Kathodengases liegt, die für die Brennstoffzelle 1 notwendig ist, kann in Übereinstimmung mit einem Signal von der Steuerung 50 die Menge des Kathodengases des Verdichters 20 verringert werden oder der Öffnungsgrad des Durchflussmengenregulierungsventils 40 erhöht werden, um dadurch die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, auf den notwendigen Wert zu verringern.
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Wie später noch erklärt wird, können von der Steuerung 50 alternativ die Öffnungsgrade der Ventile 81, 82 und 83 gesteuert werden, die in dem ersten Strömungskanal 11 oder dem zweiten Strömungskanal 12 optional vorgesehen sind, um die Menge des Kathodengases zu steuern, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
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1.10 Weitere Bestandteile
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann zusätzlich zu den oben genannten Strukturen die folgenden Strukturen umfassen.
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1.10.1 Befeuchter
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Wie in 2 gezeigt ist, kann in dem Brennstoffzellensystem 100 im ersten Strömungskanal 11 ein Befeuchter 60 vorgesehen sein. Der Befeuchter 60 kann zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Umgehungskanal 13 angeordnet sein. Wie in 2 gezeigt ist, kann der Befeuchter 60 außerdem mit sowohl dem ersten Strömungskanal 11 als auch dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden sein. Im Einzelnen kann der Befeuchter 60 das Innere der Brennstoffzelle 1 befeuchten, indem er das Wasser nutzt, das im Kathodenabgas enthalten ist, das aus der Brennstoffzelle 1 in den zweiten Strömungskanal 12 abgegeben wird. Mit anderen Worten kann das Wasser in dem Brennstoffzellensystem 100 durch die Brennstoffzelle 1, den ersten Strömungskanal 11, den zweiten Strömungskanal 12 und den Befeuchter 60 zirkuliert werden.
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Wenn das Brennstoffzellensystem den Befeuchter umfasst, wird die Umgebung der Kathodengaszufuhröffnung der Brennstoffzelle, in der sich die Temperatur und/oder der Druck stark ändern, eine hochgradig feuchte Umgebung. In solchen rauen Umgebungen besteht das Risiko, dass sich die Messgenauigkeit der Kathodengasmenge durch den Durchflussmesser weiter verschlechtert. Weil in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 der erste Durchflussmesser 31 auf der stromaufwärtigen Seite des Befeuchters 60 vorgesehen ist und der zweite Durchflussmesser 32 im Umgehungsströmungskanal 13 vorgesehen ist, der im Wesentlichen frei von dem Einfluss der Befeuchtung durch den Befeuchter 60 ist, ist es im Gegensatz dazu unwahrscheinlich, dass der erste Durchflussmesser 31 und der zweite Durchflussmesser 32 durch die Feuchtigkeit des Befeuchters 60 beeinflusst werden. Wenn das Brennstoffzellensystem 100 mit dem Befeuchter 60 versehen ist, kann mit anderen Worten die Kathodengasmenge, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, beruhend auf den Messungen des ersten Durchflussmessers 31 und des zweiten Durchflussmessers 32 präzise gemessen und geschätzt werden.
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1.10.2 Luftfilter
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Wie in 2 gezeigt ist, kann in dem Brennstoffzellensystem 100 im ersten Strömungskanal 11 ein Luftfilter 70 vorgesehen sein. Der Luftfilter 70 kann stromaufwärts vom Verdichter 20 angeordnet sein. Falls im ersten Strömungskanal 11 als das Kathodengas Luft strömen gelassen wird kann sich das stromaufwärtige Ende des ersten Strömungskanals 11, wie oben angegeben wurde, in die Atmosphäre öffnen, um Atmosphärenluft einzusaugen. Der Luftfilter 70 kann in diesem Fall auf der stromaufwärtigen Seite des Verdichters 20 vorgesehen werden, damit er Staub oder Fremdstoffe in der Luft entfernt. Der Luftfilter 70 kann zum Beispiel ein Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Filter umfassen.
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Im Inneren des Luftfilters 70 tendiert die Durchflussmenge des Kathodengases zumindest teilweise dazu, konstant zu sein, und dementsprechend kann die Menge des Kathodengases präzise gemessen werden. In Verbindung damit kann in dem Brennstoffzellensystem 100, wie in 2 gezeigt ist, der Luftfilter 70 mit dem ersten Durchflussmesser 31 versehen sein.
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1.10.3 Ventile
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Der erste Strömungskanal 11 und der zweite Strömungskanal 12 können mit Ventilen versehen sein. Wie in 2 gezeigt ist, kann zum Beispiel der zweite Strömungskanal 12 mit einem Ventil 81 stromaufwärts vom Umgehungsströmungskanal 13 (zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Umgehungsströmungskanal 13) versehen sein. Es ist möglich, die Durchflussmenge oder den Druck des Kathodengases zu steuern, indem der Öffnungsgrad des Ventils 81 gesteuert wird. Wenn zum Beispiel der Innendruck der Brennstoffzelle 1 abnimmt, kann der Öffnungsgrad des Ventils 81 verringert werden und der Innendruck des ersten Strömungskanals 11 kann durch den Verdichter 20 erhöht werden.
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Wie in 2 gezeigt ist, kann im ersten Strömungskanal 11 stromabwärts vom Umgehungsströmungskanal 13 (zwischen der Brennstoffzelle 1 und dem Umgehungsströmungskanal 13) ein Ventil 82 vorgesehen sein. Die Menge und der Druck des Kathodengases können gesteuert werden, indem der Öffnungsgrad des Ventils 82 gesteuert wird. Wenn zum Beispiel die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, die notwendige Menge überschreitet, kann der Öffnungsgrad des Ventils 32 verringert werden und kann der Öffnungsgrad des Durchflussmengenregulierungsventils 40 erhöht werden, sodass die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, verringert werden kann, ohne die Menge des Kathodengases des Verdichters 20 zu ändern.
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Wenn in dem Brennstoffzellensystem 100 der Befeuchter 60 vorgesehen ist, kann der erste Strömungskanal 11, wie in 2 gezeigt ist, mit einem Umgehungskanal versehen sein, der den Befeuchter 60 umgeht, und der Umgehungskanal kann mit einem Ventil 83 versehen sein. In diesem Fall kann, wie in 2 gezeigt ist, stromaufwärts vom Befeuchter 60 (d. h. zwischen dem Umgehungskanal und dem Befeuchter 60) das Ventil 82 vorgesehen sein. Wenn das Innere der Brennstoffzelle 1 durch den Befeuchter 60 befeuchtet werden sollte, kann mit anderen Worten, wie in 2 gezeigt ist, der Öffnungsgrad des Ventils 82 erhöht und der Öffnungsgrad des Ventils 83 verringert werden. Wenn die Befeuchtung durch den Befeuchter 60 nicht notwendig ist, kann der Öffnungsgrad des Ventils 82 verringert und der Öffnungsgrad des Ventils 83 erhöht werden. Es ist zu beachten, dass das Öffnen und Schließen der Ventile 81 und 82 in dem Brennstoffzellensystem 100 durch die oben genannte Steuerung 50 gesteuert werden können. Allerdings reicht es, wenn die Steuerung 50 zumindest die Menge des Kathodengases steuert, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird. Alternativ kann die Steuerung 50 zusätzlich zur Zufuhrmenge des Kathodengases die Feuchtigkeit der Brennstoffzelle 1 steuern und eine Steuerung von anderen Bedingungen als der Feuchtigkeit durchführen.
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1.10.4 Zwischenkühler
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Wie in 2 gezeigt ist, kann in dem Brennstoffzellensystem 100 stromabwärts vom Verdichter 20 ein Zwischenkühler 91 vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann das Kathodengas, dessen Temperatur durch den Verdichter 20 aufgrund eines Druckanstiegs erhöht worden ist, durch den Zwischenkühler 91 gekühlt werden, während ein vorbestimmter Druck aufrechterhalten wird. Der Zwischenkühler 91 kann zum Beispiel mit Kühlmittelkanälen 16 und 17 verbunden sein, die im Folgenden diskutiert werden. Mit anderen Worten wird ein Teil des Kühlmittels, das in den Kühlmittelkanälen 16 und 17 zirkuliert, in den Zwischenkühler 91 abgezweigt, wodurch das notwendige Kühlvermögen des Zwischenkühlers 91 leicht erreicht werden kann.
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1.10.5 Sonstiges
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Wie in 2 gezeigt ist, können in dem Brennstoffzellensystem 100 ein Strömungskanal 14, durch den der Brennstoffzelle 1 das Anodengas zugeführt wird, und ein Strömungskanal 15, durch den aus der Brennstoffzelle 1 ein Anodenabgas abgegeben wird, vorgesehen sein. Der Anodenabgasströmungskanal 15 kann mit dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden werden, der den Kathodenabgaskanal definiert. Darüber hinaus können in dem Brennstoffzellensystem 100, wie in 2 gezeigt ist, die Kühlmittelkanäle 16 und 17 für die Zirkulation von Kühlmittel zwischen der Brennstoffzelle 1 und einem Wärmetauscher 92 vorgesehen sein. Die anodenseitigen Strömungskanäle 14 und 15 und die Kühlmittelkanäle 16 und 17 können auf die gleiche Weise wie im Stand der Technik konfiguriert sein.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann weitere Bestandteile umfassen, die nicht dargestellt sind. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 100 Gas-Flüssigkeit-Abscheider umfassen, die die Gase und Flüssigkeiten des Anodenabgases und des Kathodenabgases trennen. Es ist unnötig zu sagen, dass eine Verkabelung etc., die sich von der Brennstoffzelle 1 zur Außenseite erstreckt, vorgesehen sein kann, die auf die gleiche Weise wie im Stand der Technik konfiguriert sein kann.
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Es ist zu beachten, dass jeder der in 2 dargestellten Bestandteile lediglich ein Beispiel eines Bestandteils ist, der in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen sein kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 hat die in 1 gezeigte Grundstruktur und kann nur einen Teil der Bestandteile oder andere Bestandteile als die umfassen, die in 2 gezeigt sind.
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Messverfahren der Kathodengasdurchflussmenge
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Die erfindungsgemäße Technologie umfasst auch die Ausgestaltung eines Messverfahrens der Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle zugeführt wird. Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Messverfahren der Menge des Kathodengases ein Verfahren zur Messung der Menge eines Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 in dem Brennstoffzellensystem 100 zugeführt wird, das, wie in 1 gezeigt ist, die Brennstoffzelle 1, den ersten Strömungskanal 11, durch den der Brennstoffzelle 1 das Kathodengas zugeführt wird, den zweiten Strömungskanal 12, durch den aus der Brennstoffzelle 1 das Kathodenabgas abgegeben wird, den Umgehungsströmungskanal 3, der vom ersten Strömungskanal 11 abzweigt und der mit dem zweiten Strömungskanal 12 verbunden ist, den Verdichter 20, der im ersten Strömungskanal 11 vorgesehen ist, den ersten Durchflussmesser 31, der im ersten Strömungskanal 11 vorgesehen ist, das Durchflussmengenregulierungsventil 40, das im Umgehungsströmungskanal 13 vorgesehen ist, und den zweiten Durchflussmesser 32 umfasst, der im Umgehungsströmungskanal 13 vorgesehen ist, wobei der Verdichter 20 stromaufwärts vom Umgehungsströmungskanal 13 angeordnet ist und das Messverfahren gekennzeichnet ist durch Anordnen des ersten Durchflussmessers 11 stromaufwärts vom Verdichter 20, Anordnen des zweiten Durchflussmessers 12 stromabwärts vom Durchflussmengenregulierungsventil 40 und Messen der Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, beruhend auf der Durchflussmenge, die vom ersten Durchflussmesser 11 gemessen wird, und der Durchflussmenge, die vom zweiten Durchflussmesser 12 gemessen wird. Jeder der Bestandteile ist wie oben beschrieben und ausführliche Erläuterungen von ihnen werden weggelassen.
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Fahrzeug
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann zum Beispiel als Antriebsquelle von Fahrzeugen eingesetzt werden. Wenn das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingebaut wird, ist es in der Praxis aufgrund von Anordnungseinschränkungen schwer, den gesamten ersten Strömungskanal 11 linear anzuordnen, und es kann notwendig sein, den ersten Strömungskanal 11 an mehreren Stellen zu biegen. Die Durchflussmenge des Kathodengases hat in diesem Fall in den gebogenen Abschnitten des ersten Strömungskanals 11 eine Verteilung, was zu einer leichten Verringerung der Messgenauigkeit der Menge des Kathodengases führt. Um die Menge des Kathodengases präziser zu messen, kann der erste Durchflussmesser 31 mit anderen Worten in dem geraden Abschnitt des ersten Strömungskanals 11 angeordnet werden. Wenn es unmöglich ist, für eine ausreichende Länge des geraden Abschnitts des ersten Strömungskanals 11 zu sorgen, kann der erste Durchflussmesser 31, wie oben angegeben wurde, alternativ im Luftfilter 91 vorgesehen werden.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, kann gemäß dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 beruhend auf den Messungen des ersten Durchflussmessers 31 und des zweiten Durchflussmessers 32 die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, präzise gemessen und gesteuert werden, wenn sich die Temperatur und/oder der Druck des Kathodengases im ersten Strömungskanal 11 plötzlich aufgrund eines Druckanstiegs durch den Verdichter 20 oder dergleichen ändern. Darüber hinaus kann die Menge des Kathodengases, die der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird, präzise gemessen und gesteuert werden, wenn ein Teil des Kathodengases in den Umgehungsströmungskanal 13 abgezweigt wird, etwa wenn mittels des Umgehungsströmungskanals 13 eine Verteilungssteuerung erfolgt, um ein Pumpen des Verdichters 20, der zum Beispiel ein Turboverdichter ist, zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 11
- Erster Strömungskanal
- 12
- Zweiter Strömungskanal
- 13
- Umgehungsströmungskanal
- 14
- Anodengaszufuhrkanal
- 15
- Anodenabgasabgabekanal
- 16
- Kühlmittelzufuhrkanal
- 17
- Kühlmittelrücklaufkanal
- 20
- Verdichter
- 31
- Erster Durchflussmesser
- 32
- Zweiter Durchflussmesser
- 40
- Durchflussmengenregulierungsventil
- 50
- Steuerung
- 60
- Befeuchter
- 70
- Luftfilter
- 81, 82, 83
- Ventil
- 91
- Zwischenkühler
- 92
- Wärmetauscher
- 100
- Brennstoffzellensystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010177123 A [0002, 0003]
- JP 2009123550 A [0003]
