-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
-
STAND DER TECHNIK
-
Eine Brennstoffzelle ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche elektrische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff (H2), welches als Brenngas dient, und Sauerstoff (O2), welches als Oxidansgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (nachstehend kann es einfach als „Stapel“ bezeichnet werden), bestehend aus gestapelten Einheiten von Brennstoffzellen, erzeugt. Nachstehend können Brenngas und Oxidansgas kollektiv und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
-
Im Allgemeinen bestehen die Einheiten der Brennstoffzellen aus einer Membranelektrodeneinheit (MEA) und, bei Bedarf, aus zwei Separatoren, welche die Membranelektrodeneinheit sandwichartig umgeben.
-
Die Membranelektrodeneinheit weist eine derartige Struktur bzw. einen derartigen Aufbau auf, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran, welche eine Proton (H+)-Leitfähigkeit (nachstehend einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) aufweisen, gebildet sind.
-
Im Allgemeinen weisen die Separatoren eine derartige Struktur auf, dass eine Nut bzw. Kerbe bzw. Rille als ein Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ist, gebildet wird. Die Separatoren funktionieren als ein Sammler bzw. Kollektor der erzeugten Elektrizität.
-
In der Brennstoff-Elektrode (Anode) der Brennstoffzelle, wird der Wasserstoff, welcher von dem Strömungspfad und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff gelangt durch die Elektrolytmembran zur Oxidans-Elektrode (Kathode). Ein Elektron wird zur selben Zeit erzeugt, und passiert bzw. durchwandert einen externen Stromkreis, verrichtet Arbeit, und gelangt anschließend zur Kathode. Der Sauerstoff, welcher der Kathode zugeführt wird, reagiert mit dem Proton und dem Elektron auf der Kathode, wodurch Wasser erzeugt wird.
-
Das erzeugte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit ausreichend Feuchtigkeit. Überschüssiges Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht, gelangt durch den Strömungspfad und wird anschließend an die Außenseite bzw. außerhalb des Systems abgegeben.
-
Ein derartiges Verfahren, dass zum Zeitpunkt des Beendens des Brennstoffzellensystems einschließlich des Brennstoffzellenstapels, die Zufuhr des Brenngases zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels beendet wird; das Brenngas in den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels in die Luft entlassen wird; und die Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels mit Gas, welches sich von Brenngas unterscheidet, wie Luft und Stickstoffgas (nachstehend als „Inertgas“ bezeichnet) gefüllt sind, ist bekannt. Dementsprechend ist es zum Zeitpunkt des Startens bzw. des Anfahrens des Brennstoffzellensystems notwendig, das Inertgas in den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels mit Brenngas zu ersetzen.
-
Es wird das Brennstoffzellensystem, welches fähig ist das Gas, welches sich von Brenngas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unterscheidet, in einer kurzen Zeit beim Startzeitpunkt zu spülen, untersucht.
-
Zum Beispiel wird in Patentliteratur 1 ein Brennstoffzellensystem offenbart, welches derartig inverse Zirkulationseigenschaften eines Ejektors bzw. Ausstoßers verwendet, dass durch Einstellen der Zufuhrmenge des Brenngases beim Startzeitpunkt auf den Bereich, in welchem das Brenngas invers von einem Ejektor durch einen Zirkulationsdurchlass zu einer Brennstoffzelle strömt, das Brenngas vom Ejektor zum Einlass-Port der Brennstoffzelle durch einen Brennstoff-Zufuhrdurchlass strömt, und zum selben Zeitpunkt vom Ejektor zur Brennstoffzelle durch den Zirkulationsdurchlass strömt; ferner kann durch Verwenden der inversen Zirkulationseigenschaften das Inertgas, welches die Zirkulationsdurchlass und den Brennstoff-Zufuhrdurchlass füllt, vom Ejektor zu einer Spülleitung strömen, wodurch Luft von der Leitung somit in einer kurzen Zeit sicher gespült wird.
-
Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches mit einer Mehrzahl an Ejektoren ausgestattet ist, welche in Serie geschalten bzw. miteinander verbunden sind und welches zur schnelle Aktivierung fähig ist, selbst unter einer Niedrigtemperatur-Umgebung, in welcher die Gefahr besteht, dass das Prüfventil eines Zirkulationsgas-Strömungspfades eingefroren wird.
-
- Patentliteratur 1: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP A Nr. 2003-157875
- Patentliteratur 2: JP A Nr. 2008-192514
-
Das in der Patentliteratur 1 beschriebene Brennstoffzellensystem verwendet die inversen Zirkulationseigenschaften des Ejektors. Dementsprechend bleibt das Inertgas wahrscheinlich besonders auf der vom Brenngas-Zufuhr-Port eines Brennstoffzellenstapels entfernten bzw. abgewandten Seite. Folglich besteht die Wahrscheinlichkeit, dass das Inertgas nicht absolut bzw. vollständig von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels in einer kurzen Zeit gespült werden kann.
-
Hinsichtlich des Spülens, ist es ideal eine Wasserstoff-Pumpe in einem Zirkulationsströmungspfad zu installieren und das Inertgas von den Brennstoff-Elektroden zu spülen, nachdem das Inertgas im Brennstoffzellenstapel gerührt und zirkuliert wird. Die Wasserstoff-Pumpe ist jedoch teuer und schwierig im Brennstoffzellensystem zu installieren, hinsichtlich der Ermutigung der Verbreitung von mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die offenbarten Ausführungsformen wurden im Lichte der vorstehenden Umstände erreicht. Ein Hauptziel der offenbarten Ausführungsformen ist, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches konfiguriert ist, zum Zeitpunkt des Startens des Brennstoffzellensystems, das Gas, welches sich vom Brenngas unterscheidet, von den Elektroden eines Brennstoffzellenstapels in einer kurzen Zeit zu spülen.
-
In einer ersten Ausführungsform, wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, umfassend:
- einen Brennstoffzellenstapel,
- ein Ejektor-Set,
- eine Brenngas-Zuführeinrichtung bzw. Brenngas-Quelle, welche dem Ejektor-Set Brenngas zuführt,
- einen Zirkulationsströmungspfad, welcher das vom Brennstoffzellenstapel abgegebene bzw. ausgestoßene Brennstoff-Abgas rückgewinnt und das Brennstoff-Abgas als Zirkulationsgas zum Ejektor-Set zurückführt,
- ein Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases, welcher das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und die Zufuhr von gemischtem Gas, welches Brenngas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht,
- einen Druck-Detektor, welcher Informationen zum Druck einer Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels erfasst,
- ein Brennstoff-Abgas-Auslass, welcher das Brennstoff-Abgas nach außen abgibt, wobei eine Konzentration des Brenngases eine vorbestimmte Konzentration oder weniger ist, und
- eine Steuereinheit bzw. Steuerung,
- wobei das Ejektor-Set einen ersten Ejektor und einen zweiten Ejektor parallel umfasst, wobei der erste Ejektor ein Ejektor ist, welcher das erste gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt, und der zweite Ejektor ein Ejektor ist, welcher das zweite gemischte Gas zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt, wobei ein Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases größer ist als das erste gemischte Gas;
- wobei, für den zweiten Ejektor, eine Zufuhr-Strömungsmenge des gemischten Gases, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden kann, kleiner ist als der erste Ejektor;
- wobei als eine erste Steuerung in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information einen vorbestimmten ersten Grenzwert bzw. Schwellenwert überschreitet, wobei die Steuereinheit ein Anwendungsverhältnis bzw. Einsatzverhältnis des zweiten Ejektors größer als ein Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors macht, wenn ein gesamtes Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets zu bzw. als 100 % bestimmt werden; und
- wobei, als eine zweite Steuerung in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfassten Druck-Information einen vorbestimmten zweiten Grenzwert bzw. Schwellenwert, welcher größer als der erste Grenzwert ist, überschreitet, macht die Steuereinheit nach der ersten Steuerung das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets zu bzw. als 100 % bestimmt werden.
-
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann ein Brennstoffzellensystem sein, wobei als die erste Steuerung in dem Fall, in welchem die vom Druck-Detektor erfassten Druck-Information der vorbestimmte erste Grenzwert bzw. Schwellenwert oder weniger ist, die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors macht, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist.
-
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann ein Brennstoffzellensystem sein, wobei als die erste Steuerung in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information den vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, die Steuereinheit vom ersten Ejektor auf den bzw. zum zweiten Ejektor schaltet und den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor zuführt, und wobei als die zweite Steuerung, in einem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information den vorbestimmten zweiten Grenzwert, welcher größer als der vorbestimmte erste Grenzwert ist, überschreitet, schaltet die Steuereinheit von dem zweiten Ejektor auf den ersten Ejektor und führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor zu, und in einem Fall, in welchem die Druck-Information der zweite Grenzwert oder weniger ist, führt die Steuereinheit den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor zu.
-
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann ein Brennstoffzellensystem sein, wobei als die erste Steuerung, in einem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der vorbestimmte erste Grenzwert bzw. Schwellenwert oder weniger ist, führt die Steuereinheit den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor zu.
-
Gemäß den offenbarten Ausführungsformen wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches konfiguriert ist, um zum selben Startzeitpunkt des BrennstoffzellenSystems das Gas, welches sich vom Brenngas unterscheidet, von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels in einer kurzen Zeit zu spülen.
-
Figurenliste
-
In der beigefügten Zeichnung ist,
- 1 eine Ansicht eines Beispiels der Struktur des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen;
- 2 eine Ansicht, welche einen Unterschied bzw. eine Differenz der Leistung bzw. Leistungsfähigkeit zwischen dem ersten Ejektor und dem zweiten Ejektor zeigt;
- 3 ein Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen;
- 4 eine Ansicht, welche ein Beispiel des Zusammenhanges zwischen Zeit und Anodendruck/Wasserstoff-Konzentration im Fall der Simulation der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen zeigt;
- 5 eine Ansicht, welche eine Gas-Konzentrationsverteilung auf der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einem vorbestimmten Zeitpunkt in einer Simulation zeigt, welche versucht Stickstoffgas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung lediglich des ersten Ejektors zu spülen; und
- 6 eine Ansicht, welche eine Gas-Konzentrationsvcrtcilung auf der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels bei einem vorbestimmten Zeitpunkt in einer Simulation zeigt, welche versucht Stickstoffgas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels durch Steuern des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen zu spülen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend:
- einen Brennstoffzellenstapel,
- ein Ejektor-Set,
- eine Brenngas-Zuführeinrichtung, welche dem Ejektor-Set Brenngas zuführt,
- einen Zirkulationsströmungspfad, welcher vom Brennstoffzellenstapel abgegebenes bzw. ausgestoßenes Brennstoff-Abgas rückgewinnt und das Brennstoff-Abgas als Zirkulationsgas zum Ejektor-Set rückführt,
- ein Zufuhrströmungspfad für ein gemischtes Gas, welcher das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und die Zufuhr des gemischten Gases, welches das Brenngas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht,
- einen Druck-Detektor, welcher Druck-Informationen einer Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels erfasst,
- einen Brennstoff-Abgas-Auslass, welcher das Brenn-Abgas nach außen abgibt, wobei eine Konzentration des Brenngases eine vorbestimmte Konzentration oder weniger ist, und
- eine Steuereinheit,
- wobei der Ejektor-Set einen ersten Ejektor und einen zweiten Ejektor parallel umfasst, wobei der erste Ejektor ein Ejektor ist, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas zuführt, und der zweite Ejektor ein Ejektor ist, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas zuführt, wobei ein Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases größer als das erste gemischte Gas ist;
- wobei, für den zweiten Ejektor, eine Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden kann, kleiner als der erste Ejektor ist;
- wobei, als eine erste Steuerung, in einem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information einen vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, macht die Steuereinheit ein Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als ein Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, wenn ein gesamtes Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist; und
- wobei, als eine zweite Steuerung in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information einen vorbestimmten zweiten Grenzwert, welcher größer ist als der erste Grenzwert, überschreitet, macht die Steuereinheit nach der ersten Steuerung das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist.
-
1 ist eine Ansicht eines Beispiels des Aufbaus bzw. der Struktur des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen.
-
Ein in 1 gezeigtes Brennstoffzellensystem 100 umfasst das Nachstehende: einen Brennstoffzellenstapel 11; eine Brenngas-Zuführeinrichtung 12; einen Zufuhrströmungspfad 13 für gemischtes Gas; einen Zirkulationsströmungspfad 14, welcher als Zirkulationsgas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 11 abgegebenes Brennstoff-Abgas zirkuliert; einen Druck-Detektor 15, welcher die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 11 erfasst; ein Ejektor-Set 16, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 11 gemischtes Gas des Brenngases und des Zirkulationsgases zuführt; eine Steuereinheit 17; ein Brenngas-Zufuhrströmungspfad 18; einen Brennstoff-Abgas-Auslass 19; eine Oxidansgas-Zuführeinrichtung 21; einen Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad 22; und einen Oxidansgas-Auslassströmungspfad 23.
-
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst mindestens den Brennstoffzellenstapel, die Brenngas-Zuführeinrichtung, den Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases, den Zirkulationsströmungspfad, den Brennstoff-Abgas-Auslass, den Druck-Detektor, das Ejektor-Set und die Steuereinheit. Im Allgemeinen, umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Brenngas-Zufuhrströmungspfad, eine Oxidansgas-Zuführeinrichtung, einen Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad, einen Oxidansgas-Auslassströmungspfad, eine Kühlwasser-Zuführeinrichtung, einen Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad, etc.
-
Der Brennstoffzellenstapel besteht aus gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten.
-
Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel können 2 bis 200 Brennstoffzellen-Einheiten gestapelt werden.
-
Der Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte an beiden Enden der Stapelrichtung jeder Brennstoffzellen-Einheit umfassen.
-
Jede einzelne Brennstoffzelle bzw. jede Brennstoffzellen-Einheit umfasst mindestens eine Membranelektrodeneinheit einschließlich einer Oxidans-Elektrode, einer Elektrolytmembran und einer Brennstoff-Elektrode. Bei Bedarf kann sie zwei Separatoren, welche die Membranelektrodeneinheit sandwichartig umgeben, umfassen.
-
Die Separatoren können eine derartige Gas-Strömungspfadstruktur aufweisen, dass eine Nut bzw. Rille als ein Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht ist, gebildet ist. Auch die Separatoren können eine derartige Kühlwasser-Strömungspfadstruktur aufweisen, dass eine Nut auf einer der in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht befindlichen Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche als ein Kühlwasser-Strömungspfad gebildet ist, um die Stapel-Temperatur auf einem konstanten bzw. gleichbleibenden Niveau zu halten.
-
Die Separatoren können ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element, etc. sein. Als das elektrisch leitende bzw. leitfähige Element umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, gasundurchlässigen dichten Kohlenstoff, welcher durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte, welche durch Druckformen erhalten wird. Die Separatoren können eine Funktion des Stromabnehmens bzw. Stromsammelns aufweisen.
-
Die Oxidans-Elektrode umfasst einen Oxidans-Elektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
-
Die Brennstoff-Elektrode umfasst eine Brennstoff-Elektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
-
Die Oxidans-Elektroden-Katalysatorschicht und die Brennstoff-Elektroden-Katalysatorschicht können zum Beispiel ein Katalysator-Metall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitfähigen Elektrolyten, oder elektronenleitfähige Kohlenstoffpartikel enthalten.
-
Als das Katalysator-Metall können zum Beispiel Platin (Pt) oder eine Legierung von Pt und einem anderen Metall (wie eine Pt-Legierung gemischt mit Kobalt, Nickel oder ähnlichem) verwendet werden.
-
Der Elektrolyt kann ein Fluor-Harz oder ähnliches sein. Als das Fluor-Harz kann zum Beispiel eine Nafion-Lösung verwendet werden.
-
Das Katalysator-Metall ist auf Kohlenstoffpartikel geträgert. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, welche das Katalysator-Metall (d.h., Katalysator-Partikel) tragen, und der Elektrolyt kann gemischt werden.
-
Als die Kohlenstoffpartikel zum Trägern des Katalysator-Metalls (d.h., tragende Kohlenstoffpartikel) können zum Beispiel wasserabweisende Kohlenstoffpartikel, welche durch Verbesserung der wasserabweisenden Eigenschaft von handelsüblichen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoff- bzw. Rußpulver) durch Erwärmen erhalten werden, verwendet werden.
-
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder ähnliches sein.
-
Als das elektrisch leitende Element, umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie ein Kohlenstofftuch und ein Kohlepapier, und ein poröses Metallmaterial, wie ein Metallnetz und ein Metallschaum.
-
Die Elektrolytmembran kann eine Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran sein. Als die Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluor-Elektrolytmembran, wie eine Feuchtigkeit enthaltende, dünne Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Elektrolytmembran kann zum Beispiel eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
-
Die Brenngas-Zuführeinrichtung führt dem Ejektor-Set Brenngas zu.
-
Das Brenngas ist ein Gas, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält. Zum Beispiel kann es Wasserstoffgas sein.
-
Als die Brenngas-Zuführeinrichtung umfassen Beispiele, aber sind nicht darauf beschränkt, einen Brennstoff-Tank bzw. -Behälter, wie ein Tank für flüssigen Wasserstoff und ein Tank für komprimierten Wasserstoff.
-
Das Brennstoffzellensystem kann den Brenngas-Zufuhrströmungspfad umfassen.
-
Der Brenngas-Zufuhrströmungspfad verbindet die Brenngas-Zuführeinrichtung mit dem Ejektor-Set und ermöglicht die Zufuhr des Brenngases von der Brenngas-Zuführeinrichtung zum Ejektor-Set. Der Brenngas-Zufuhrströmungspfad ist nicht immer notwendig, wenn die Brenngas-Zuführeinrichtung und das Ejektor-Set nebeneinander angeordnet sind, und das Brenngas kann dem Ejektor-Set direkt von der Brenngas-Zuführeinrichtung zugeführt werden.
-
Der Zirkulationsströmungspfad ermöglicht es, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem Ejektor-Set verbunden ist, gewinnt das von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoff-Abgas zurück, und führt das Brennstoff-Abgas als das Zirkulationsgas zum Ejektor-Set zurück.
-
Das Brennstoff-Abgas enthält hauptsächlich Brenngas, welches ohne zu reagieren die Brennstoff-Elektrode durchströmte bzw. passierte, und Feuchtigkeit, welche an der Oxidans-Elektrode erzeugtes und zur Brennstoff-Elektrode übermitteltes Wasser ist. In den offenbarten Ausführungsformen kann das Brennstoff-Abgas ferner ein Inertgas, wie Luft und Stickstoffgas, enthalten.
-
Das Ejektor-Set führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das gemischte Gas zu, welches das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält.
-
Das Ejektor-Set umfasst den ersten Ejektor und den zweiten Ejektor parallel.
-
Der erste Ejektor führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas zu.
-
Der zweite Ejektor führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas zu, wobei das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases größer als das erste gemischte Gas ist. Für den zweiten Ejektor ist die Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden kann, kleiner als der erste Ejektor.
-
Die Zufuhrströmungsmenge des ersten gemischten Gases, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels durch den ersten Ejektor zugeführt werden kann, kann 2 bis 20 Mal größer sein als die Zufuhrströmungsmenge des zweiten gemischten Gases, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels durch den zweiten Ejektor zugeführt werden kann, oder es kann 3 bis 10 Mal größer sein als dieses.
-
Im zweiten gemischten Gas kann zum Beispiel das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases 2 bis 10 Mal größer sein als das erste gemischte Gas, oder es kann 3 bis 4 Mal größer sein als das erste gemischte Gas.
-
Die Ejektoren des Ejektor-Sets sind elektrisch mit der Steuereinheit verbunden. Die Verwendung der Ejektoren in Kombination oder die Verwendung einer der Ejektoren kann durch ein Signal von der Steuereinheit ermöglicht bzw. aktiviert werden.
-
2 ist eine Ansicht, welche einen Unterschied bzw. eine Differenz der Leistungsfähigkeit bzw. Leistung zwischen dem ersten Ejektor und dem zweiten Ejektor zeigt.
-
Wie in 2 gezeigt, ist der erste Ejektor ein derartiger Ejektor, dass die Zufuhrströmungsmenge groß ist und der Gehaltsanteil des Zirkulationsgases klein ist (große Strömungsmenge + geringes Zirkulationsverhältnis).
-
Der zweite Ejektor ist ein derartiger Ejektor, dass die Zufuhrströmungsmenge klein ist und das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases groß ist (kleine Strömungsmenge + hohes Zirkulationsverhältnis).
-
Der Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases verbindet das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel und ermöglicht die Zufuhr des gemischten Gases, welches das Brenngas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels.
-
Der Brennstoff-Abgas-Auslass ermöglicht die Abgabe des Brennstoff-Abgases nach außen, wobei die Konzentration des Brenngases die vorbestimmte Konzentration des Brenngases oder weniger ist. Außen bedeutet das Äußere bzw. außerhalb des Brennstoffzellensystems.
-
Der Brennstoff-Abgas-Auslass kann ein Brennstoff-Abgas-Auslassventil umfassen. Bei Bedarf kann es ferner einen Brennstoff-Abgas-Auslassströmungspfad umfassen.
-
Das Brennstoff-Abgas-Auslassventil steuert die Brennstoff-Abgas-Auslassströmungsmenge.
-
Der Brennstoff-Abgas-Auslassströmungspfad kann vom Zirkulationsströmungspfad abzweigen bzw. verzweigen.
-
Der Brennstoff-Abgas-Auslass kann das Abgeben des Brennstoff-Abgases nach außen ermöglichen, wenn zum Beispiel die Konzentration des Brenngases, wie Wasserstoff, im Brennstoff-Abgas die vorbestimmte Konzentration oder weniger ist. Ebenso kann der Brennstoff-Abgas-Auslass zum Beispiel ein Inertgas, welches sich von Brenngas unterscheidet, wie Luft und Stickstoffgas nach außen abgeben bzw. entlassen. Die vorbestimmte Konzentration des Brenngases ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel unter Berücksichtigung des Gleichgewichts zwischen der Brennstoff-Effizienz des Brennstoffzellensystems und der Inertgas-Spülzeit passend bzw. geeignet bestimmt werden.
-
Das Verfahren zum Erfassen der Konzentration des Brenngases im Brennstoff-Abgas ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann ein allgemein bekannter Konzentrationssensor verwendet werden.
-
Ein Gas-Flüssig-Separator zur Verringerung der Feuchtigkeit im Brennstoff-Abgas kann im Zirkulationsströmungspfad installiert bzw. angeordnet werden. Ebenso kann ein Abflussströmungspfad, welcher vom Zirkulationsströmungspfad durch den Gas-Flüssig-Separator abzweigt, im Zirkulationsströmungspfad angeordnet sein, und ein Abflussventil kann im Abflussströmungspfad angeordnet sein.
-
Die vom Brennstoff-Abgas im Gas-Flüssig-Separator abgetrennte Feuchtigkeit kann durch Öffnen des Abflussventils des Abflussströmungspfades, welcher vom Zirkulationsströmungspfad abzweigt, abgegeben bzw. abgelassen werden.
-
Das zur Feuchtigkeitstrennung unterzogene Brennstoff-Abgas kann vom Zirkulationsströmungspfad durch den Ejektor angesaugt werden, während es in dem Zustand ist, welcher eine geringe Menge verbleibenden Nebel enthält.
-
Der Druck-Detektor erfasst die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels.
-
Als den Druck-Detektor umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, einen Drucksensor.
-
Die Anordnungs- bzw. Installationsposition des Druck-Detektors ist nicht besonders beschränkt, solange die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels erfasst werden kann. Der Druck-Detektor kann im Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases installiert werden bzw. sein, oder kann im Zirkulationsströmungspfad installiert werden bzw. sein. Hinsichtlich der Erhöhung der Genauigkeit der Druck-Informationserfassung kann der Druck-Detektor im Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases installiert werden.
-
Die Druck-Information kann ein auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübter GasDruck sein.
-
Die Oxidansgas-Zuführeinrichtung führt mindestens den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels Oxidansgas zu.
-
Als die Oxidansgas-Zuführeinrichtung kann zum Beispiel ein Luft-Kompressor verwendet werden.
-
Der Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad ermöglicht, dass er die Oxidansgas-Zuführeinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und führt den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels Oxidansgas von der Oxidansgas-Zuführeinrichtung zu.
-
Das Oxidansgas ist ein Sauerstoff-enthaltendes Gas. Es kann Luft, trockene Luft, reiner Sauerstoff oder ähnliches sein.
-
Der Oxidansgas-Abgabe-Strömungspfad ermöglicht das Abgeben des Oxidansgases von den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels.
-
Das Brennstoffzellensystem kann eine Kühlwasser-Zuführeinrichtung und einen Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad umfassen.
-
Der Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad ermöglicht, dass er zwischen dem Kühlwasser-Einlass-Port-Verbindungsloch und dem Kühlwasser-Auslass-Port-Verbindungsloch, welche im Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, verbindet, zirkuliert das von der Kühlwasser-Zuführeinrichtung zugeführte Kühlwasser von dem Brennstoffzellenstapel ein und aus, und kühlt den Brennstoffzellenstapel.
-
Als die Kühlwasser-Zuführeinrichtung umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Kühlwasser-Pumpe.
-
Die Steuereinheit steuert das Brennstoffzellensystem.
-
Die Steuereinheit kann mit dem Druck-Detektor, dem Ejektor-Set, der Brenngas-Zuführeinrichtung, der Oxidansgas-Zuführeinrichtung und so weiter durch eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle verbunden sein.
-
Die Steuereinheit macht eine Bewertung, ob die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet oder nicht, und ob die Druck-Information den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet oder nicht. Ebenso steuert die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten und des zweiten Ejektors des Ejektor-Sets, etc.
-
Die Steuereinheit umfasst physisch zum Beispiel eine Prozesseinheit, wie eine zentrale Recheneinheit bzw. einen Zentralprozessor („central processing unit“, CPU), ein Speichergerät, wie einen Nur-Lese-Speicher bzw. Festspeicher („read-only memory“,ROM) und einen Schreib-Lese-Speicher bzw. Arbeitsspeicher („random access memory“,RAM), und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle. Die ROM wird verwendet, um ein Steuerprogramm, Steuerdaten, und so weiter zu speichern, welche von der CPU verarbeitet wurden, und die RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsbereiche für die Steuerungsprozesse verwendet.
-
Erfassung der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels
-
Der Druck-Detektor erfasst die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels zu vorbestimmten Zeiten bzw. Zeitpunkten.
-
Das Verfahren zur Erfassung der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels durch Installieren eines allgemein bekannten Druck-Sensors im Brennstoffzellensystem und Verwenden des Druck-Sensors erfasst werden.
-
Der Zeitpunkt zur Erfassung der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels ist nicht besonders beschränkt. Die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels kann jedes Mal erfasst werden, wenn eine vorbestimmte Zeit verstrichen bzw. abgelaufen ist, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wurde; sie kann erfasst werden, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wird; oder sie kann konstant erfasst werden. Der Erfassungszeitpunkt kann angemessen bzw. geeignet bestimmt werden.
-
Bewertung, ob die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert übersteigt bzw. überschreitet oder nicht
-
Die Steuereinheit bewertet bzw. entscheidet, ob die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert übersteigt oder nicht.
-
Der erste Grenzwert der Druck-Information kann zum Beispiel wie folgt passend bzw. geeignet bestimmt werden: eine Datengruppe, welche zuvor durch ein Experiment, etc. vorbereitet wird, zeigt einen Zusammenhang zwischen der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels und der Zeit, um das Spülen des Inertgases von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels abzuschließen, und der erste Grenzwert wird durch die von der Datengruppe enthaltenen Leistung bzw. Leistungsfähigkeit etc. des Brennstoffzellenstapels passend bestimmt.
-
Erste Steuerung
-
Der Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet
-
Als die erste Steuerung macht in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information den ersten vorbestimmten Grenzwert überschreitet, die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist.
-
Vor der ersten Steuerung wird die Zufuhrströmungsmenge des ersten gemischten Gases erhöht, um die Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels mit dem Brenngas mit Druck zu füllen, wobei der Gehaltsanteil des Brenngases groß ist. Das Gas, welches sich von dem Brenngas unterscheidet und große Mengen an Stickstoff etc. enthält, wird durch das Druckfüllen bzw. Füllen mit Druck ausgetrieben bzw. herausgedrückt, und das Gas zirkuliert und dringt erneut in die Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels durch das Ejektor-Set ein. Zu diesem Zeitpunkt wird das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, in welchem im Vergleich zum ersten Ejektor die Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases klein ist und das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases größer als das Brenngas ist, erhöht, wodurch die Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases vom Ejektor-Set verringert wird. Dementsprechend wird angenommen, dass das erste gemischte Gas, in welchem das Gehaltsverhältnis des Brenngases groß ist, schnell in den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels verbreitet bzw. diffundiert werden kann. Folglich wird angenommen, dass das Brenngas schnell in die Brennstoff-Elektroden der Brennstoffzellen, welche sich auf der vom Brenngas-Zufuhr-Port des Brennstoffzellenstapels abgewandten bzw. entfernten Seite befinden, eingeführt werden kann. Dementsprechend kann gesagt werden, dass die Verwendung des zweiten Ejektors zum gleichmäßigen Spülen des Inertgases von den Brennstoff-Elektroden geeignet ist.
-
Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets ist in dem Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert überschreitet, nicht besonders beschränkt, solange das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors ist, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis als 100 % bestimmt ist. Hinsichtlich des Abschließens bzw. der Vervollständigung des Spülens des Inertgases bzw. mit Intertgas in einer kürzeren Zeit, kann das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors 100 % sein. Mit anderen Worten, kann in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten ersten Grenzwert übersteigt, die Steuereinheit vom ersten Ejektor auf den bzw. zum zweiten Ejektor schalten und das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
-
Das Verfahren zum Steuern des Anwendungsverhältnisses der Ejektoren ist nicht besonders beschränkt. Das Anwendungsverhältnis kann durch elektrisches Verbinden der Steuereinheit mit den Ejektoren und Übermitteln eines Signals von der Steuereinheit an die Ejektoren gesteuert werden.
-
Der Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte erste Grenzwert oder weniger ist
-
Andererseits macht, als die erste Steuerung in dem Fall, in welchem die vom Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte erste Grenzwert oder weniger ist, die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist. Zum Startzeitpunkt des Brennstoffzellensystems, hinsichtlich des schnellen Druck-Füllens der Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels mit dem ersten gemischten Gas, in welchem das Brenngas-Verhältnis groß ist, macht die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird.
-
Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets ist in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte erste Grenzwert oder weniger ist, nicht besonders beschränkt, solange das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors ist, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren als 100 % bestimmt ist. Hinsichtlich des schnellen Druck-Füllens der Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels mit dem ersten gemischten Gas, in welchem das Brenngas-Verhältnis groß ist, kann das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors 100% sein. Mit anderen Worten kann in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte erste Grenzwert oder weniger ist, die Steuereinheit vom zweiten Ejektor auf den bzw. zum ersten Ejektor umschalten und das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
-
Erfassen der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels
-
Nach der ersten Steuerung erfasst der Druck-Detektor die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels zu vorbestimmten Zeitpunkten.
-
Der Zeitpunkt für das Erfassen der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels ist nicht besonders beschränkt. Die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels kann zu jeder Zeit erfasst werden, wenn eine vorbestimmte Zeit nach der ersten Steuerung verstrichen ist, oder sie kann konstant erfasst werden. Der Zeitpunkt der Erfassung kann geeignet bestimmt werden.
-
Bestimmung, ob die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet, oder nicht
-
Nach der ersten Steuerung bewertet die Steuereinheit, ob die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet, oder nicht.
-
Der zweite Grenzwert der Druck-Information kann zum Beispiel wie folgt passend bestimmt werden: eine Datengruppe, welche zuvor durch ein Experiment, etc. vorbereitet wird, zeigt einen Zusammenhang zwischen der Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels und der Zeit, um das Spülen des Inertgases von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels abzuschließen, und der zweite Grenzwert kann durch die von der Datengruppe enthaltenen Leistung bzw. Leistungsfähigkeit etc. des Brennstoffzellenstapels passend bestimmt werden.
-
Zweite Steuerung
-
Der Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet
-
Als die zweite Steuerung kann in dem Fall, in welchem die vom Druck-Detektor erfasste Druck-Information den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet bzw. übersteigt, welcher größer als der erste Grenzwert ist, die Steuereinheit nach der ersten Steuerung das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors machen, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist, und anschließend kann die Steuereinheit die Steuerung beenden.
-
In dem Fall, in welchem die Druck-Information den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet bzw. übersteigt, wird angenommen, dass das erste gemischte Gas, in welchem das Brenngas-Verhältnis groß ist, ausreichend in den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels diffundiert wird, und das Brenngas in die Brennstoff-Elektroden der Brennstoffzellen, welche sich auf der vom Brenngas-Zufuhr-Port des Brennstoffzellenstapels entfernten bzw. abgewandten Seite befinden, eingeführt wird. Dementsprechend wird, durch die zweite Steuerung, das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, in welchem im Vergleich zum zweiten Ejektor die Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases groß ist und der Gehaltsanteil des Brenngases größer als das Zirkulationsgas ist, erhöht, wodurch die Zufuhrströmungsmenge des gemischten Gases vom Ejektor-Set erhöht wird. Dementsprechend kann die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Zielwert zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels in einer kurzen Zeit erreichen. Dementsprechend kann gesagt werden, dass die Verwendung des ersten Ejektors zum Spülen des Inertgases von den Brennstoff-Elektroden in einer kurzen Zeit geeignet ist.
-
Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets ist in dem Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet, nicht besonders beschränkt, solange das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors ist, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren als 100 % bestimmt ist. In Hinsicht darauf, dass die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Zielwert zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels in einer kürzeren Zeit erreichen kann, kann das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors 100 % sein. Mit anderen Worten kann in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten zweiten Grenzwert überschreitet, die Steuereinheit vom zweiten Ejektor auf den ersten Ejektor schalten und das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
-
Der Fall, in welchem die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der zweite Grenzwert oder weniger ist
-
Währenddessen kann, als die zweite Steuerung in dem Fall, in welchem die durch den Druck-Detektor erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte zweite Grenzwert oder weniger ist, die Steuereinheit nach der ersten Steuerung fortführen, das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors zu machen, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist, oder die Steuereinheit kann vom ersten Ejektor auf den bzw. zum zweiten Ejektor schalten und das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
-
3 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen. Die offenbarten Ausführungsformen sind nicht auf dieses typische Beispiel beschränkt.
-
In dem in 3 gezeigten Steuerungsverfahren führt zuerst zum Startzeitpunkt des Brennstoffzellensystems die Steuereinheit das erste gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des ersten Ejektors zu.
-
Als nächstes erfasst der Druck-Detektor die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels.
-
Anschließend fährt in dem Fall, in welchem die erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte erste Grenzwert oder weniger ist, die Steuereinheit fort das erste gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des ersten Ejektors zuzuführen.
-
Andererseits schaltet in dem Fall, in welchem die Druck-Information den ersten Grenzwert überschreitet, die Steuereinheit vom ersten Ejektor auf den bzw. zum zweiten Ejektor und führt das zweite gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zu.
-
Anschließend erfasst der Druck-Detektor erneut die Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels.
-
Dann fährt in dem Fall, in welchem die erfasste Druck-Information der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte zweite Grenzwert oder weniger ist, die Steuereinheit fort das zweite gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des zweiten Ejektors zuzuführen.
-
Andererseits schaltet in dem Fall, in welchem die Druck-Information den zweiten Grenzwert übersteigt, die Steuereinheit vom zweiten Ejektor auf den ersten Ejektor und führt das erste gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zu. Dann beendet die Steuereinheit die Steuerung.
-
4 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen Zeit und Anodendruck/Wasserstoff-Konzentration in dem Fall des Simulierens der Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen zeigt.
-
In 4 steht „Hoch“ für die Verwendung des ersten Ejektors, und „Niedrig“ für die Verwendung des zweiten Ejektors.
-
Wie aus 4 ersichtlich, erhöht sich durch Ausführen der Zwei-Schritt-Steuerung (die erste Steuerung und die zweite Steuerung) der Anodendruck in zwei Schritten, und der Anodendruck und die Wasserstoff-Konzentration der Anode kann auf Zielwerte in einer kurzen Zeit von 0,75 Sekunden erhöht werden.
-
5 ist eine Ansicht, welche eine Gas-Konzentrationsverteilung auf der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in einer Simulation zeigt, welche versucht Stickstoffgas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung lediglich des ersten Ejektors zu spülen.
-
In 5 steht „Einlass-Port“ für den Brenngas-Zufuhr-Port; „Auslass-Port“ steht für den Brenngas-Auslass-Port; „Stapelrichtung“ gibt die Richtung des Stapelns der Brennstoffzellen-Einheiten des Brennstoffzellenstapels an; und „Hinten“ gibt die vom Brenngas-Zufuhr-Port des Brennstoffzellenstapels entfernteste Seite an. Dasselbe gilt für die nachstehend beschriebene 6.
-
Wie aus 5 ersichtlich, wenn das Stickstoffgas-Spülen durch Verwendung lediglich des ersten Ejektors durchgeführt wird, gibt es eine große Änderung der Konzentration in der Stapelrichtung der Brennstoffzellen-Einheiten des Brennstoffzellenstapels.
-
6 ist eine Ansicht, welche eine Gas-Konzentrationsverteilung auf der Brennstoff-Elektrodenseite des Brennstoffzellenstapels zu einem vorbestimmten Zeitpunkt in einer Simulation zeigt, welche versucht Stickstoffgas von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels durch Steuern des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen zu spülen.
-
Wie aus 6 ersichtlich, ist gemäß dem Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen die Änderung der Konzentration in der Stapelrichtung der Brennstoffzellen-Einheiten des Brennstoffzellenstapels klein.
-
Aus den vorstehenden Ergebnissen wird angenommen, dass gemäß des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen, selbst wenn eine Wasserstoff-Pumpe im Zirkulationsströmungspfad nicht installiert ist, das Gas, welches sich vom Brenngas unterscheidet, von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels in einer kurzen Zeit durch unterschiedliches Verwenden des zweiten Ejektors, welcher geeignet ist, gleichmäßig zu spülen und hohe Zirkulationseigenschaften aufweist, und des ersten Ejektors, welcher geeignet ist, in einer kurzen Zeit zu spülen und mit einer großen Strömungsmenge, abhängig vom Zeitpunkt gespült werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 11.
- Brennstoffzellenstapel
- 12.
- Brenngas-Zuführeinrichtung
- 13.
- Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases
- 14.
- Zirkulationsströmungspfad
- 15.
- Druck-Detektor
- 16.
- Ejektor-Set
- 17.
- Steuereinheit
- 18.
- Brenngas-Zufuhrströmungspfad
- 19.
- Brennstoff-Abgas-Auslass
- 21.
- Oxidansgas-Zuführeinrichtung
- 22.
- Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad
- 23.
- Oxidansgas-Auslassströmungspfad
- 100.
- Brennstoffzellensystem
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2003157875 A [0011]
- JP 2008192514 A [0011]
