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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren für dieses.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem, das eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln umfasst, ist bekannt. Die
japanische Offenlegungsschrift Nr. 2019-207802 (
JP 2019 -
207 802 A ) beschreibt eine Technologie, um von einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln abgegebenes Gas gemeinschaftlich abzugeben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Von einem Brennstoffzellenstapel abgegebenes Gas kann nicht reagiertes Wasserstoffgas enthalten. Um nicht reagiertes Wasserstoffgas zu verdünnen, werden ein Kathodenabgas und ein Anodenabgas eines Brennstoffzellenstapels gemischt und abgegeben. Während einer Leistungserzeugung eines Brennstoffzellensystems, wird ein Anodenabgas mit Unterbrechungen abgegeben und wird ein Kathodenabgas konstant abgegeben. Aus diesem Grund, wenn von jedem einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln abgegebenes Gas miteinander vermengt wird, wird nicht reagiertes Wasserstoffgas in einem Anodenabgas, das zu spezifischen Zeitpunkten von jedem der Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, durch Kathodenabgas von der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln verdünnt. Wenn jedoch ein Gas von jedem der Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln zum gleichen Zeitpunkt abgegeben wird, kann die Wasserstoffkonzentration von gemeinschaftlich abgegebenen Gas zunehmen. Aus diesem Grund ist eine Technologie wünschenswert, die es möglich macht, eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von abgegebenen Gas zu unterdrücken.
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Die Offenbarung realisiert die Technologie in den folgenden Aspekten.
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(1) Ein Aspekt der Offenbarung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodengasabgabesystem, das eingerichtet ist, um Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel abzugeben, und ein Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem, das eingerichtet ist, um dem Brennstoffzellenstapel Kathodengas zuzuführen und Kathodengas von dem Brennstoffzellenstapel abzugeben, ein Mischgasabgabesystem, das eingerichtet ist, um von dem Anodengasabgabesystem und dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem abgegebenes Gas von jeder der Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten zu mischen und das Mischgas abzugeben, und eine Steuerungseinrichtung, die eingerichtet ist, um die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten zu steuern. Die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, um das Anodengasabgabesystem und/oder das Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem von jeder der Brennstoffzelleneinheiten zu steuern, um einen Zeitpunkt, zu dem sich abzugebendes Gas von jeder der Brennstoffzelleneinheiten in dem Mischgasabgabesystem miteinander vermengt, zu verschieben. Gemäß diesem Aspekt wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, aufgrund eines Überlappens des Zeitpunkts unterdrückt.
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(2) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem obigen Aspekt kann jedes der Anodengasabgabesysteme der Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten ein Ausstoßablassventil, das eingerichtet ist, um von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenes Gas auszustoßen, und eine Ausstoßrohrleitung umfassen, die das Ausstoßablassventil und das Mischgasabgabesystem verbindet, und eine oder einige der Ausstoßrohrleitungen der Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten können ein Volumen haben, das von einem Volumen einer anderen oder anderer Ausstoßrohrleitungen verschieden ist. Gemäß diesem Aspekt wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, unterdrückt. Deshalb kann mit einer einfachen Steuerung eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, aufgrund eines Überlappens des Zeitpunkts unterdrückt werden.
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(3) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem obigen Aspekt kann jedes der Anodengasabgabesysteme ein Ausstoßablassventil umfassen, das eingerichtet ist, um von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenes Gas auszustoßen, und kann die Steuerungseinrichtung eingerichtet sein, um eines oder einige der Ausstoßablassventile zu einem anderen Zeitpunkt als ein anderes oder andere Ausstoßablassventile durch ein Steuern der Ausstoßablassventile zu öffnen, um zu bewirken, dass Gas von den Anodengasabgabesystemen an das Mischgasabgabesystem abgegeben wird. Gemäß diesem Aspekt kann, selbst wenn das Volumen von jeder Ausstoßrohrleitung gleich ist, der Zeitpunkt, an dem sich Gas in dem Mischgasabgabesystem miteinander vermengt, verschoben werden. Deshalb wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, unterdrückt.
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(4) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem obigen Aspekt kann die Steuerungseinrichtung eingerichtet sein, um beim Starten des Brennstoffzellensystems jedes der Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme zu steuern, um zu bewirken, dass eines oder einige der Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme dem Brennstoffzellenstapel an einem Zeitpunkt Kathodengas zuführen, der von einem Zeitpunkt verschieden ist, an dem ein anderes oder andere Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme dem Brennstoffzellenstapel jeweils Kathodengas zuführen, und Gas von einem Inneren des Brennstoffzellenstapels abgeben. Ein von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem abgegebenes Gas enthält beim Starten Wasserstoff, der sich während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems von einer Anode zu einer Katode in dem Brennstoffzellenstapel bewegt. Ein Zeitpunkt, an dem Gas von jedem der Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, wird durch ein Steuern des Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystems beim Starten an einen anderen Zeitpunkt festgesetzt, sodass ein Zeitpunkt, an dem sich Gas in dem Mischgasabgabesystem miteinander vermengt, verschoben werden kann, selbst wenn das Volumen von jeder Ausstoßrohrleitung gleich ist. Deshalb kann eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, unterdrückt werden.
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(5) Ein weiterer Aspekt der Offenbarung stellt ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel, ein Anodengasabgabesystem, das eingerichtet ist, um Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel abzugeben, und ein Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem umfassen, das eingerichtet ist, um dem Brennstoffzellenstapel Kathodengas zuzuführen und Kathodengas von dem Brennstoffzellenstapel abzugeben, und ein Mischgasabgabesystem, das eingerichtet ist, um von dem Anodengasabgabesystem und dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem von jeder der Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten abgegebenes Gas zu mischen und das Mischgas abzugeben. Das Steuerungsverfahren umfasst ein Steuern durch eine Steuerungseinrichtung des Anodengasabgabesystems und/oder des Kathodengas-zuführ- und Abgabesystems von jeder der Brennstoffzelleneinheiten, um einen Zeitpunkt zu verschieben, zu dem sich von jeder der Brennstoffzelleneinheiten abzugebendes Gas in dem Mischgasabgabesystem miteinander vermengt.
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Die Offenbarung kann in verschiedenen Arten und Weisen realisiert werden und kann in Arten und Weisen, wie eine Leistungserzeugungsvorrichtung, die ein Brennstoffzellensystem umfasst, ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem umfasst, und eine Steuerungseinrichtung, die ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem ausführt, realisiert werden.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Bedeutung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, bei denen gleiche Zeichen gleichartige Elemente bezeichnen und wobei:
- 1 ein Schaubild ist, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt;
- 2 ein Bezugsdiagramm ist, das die Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, um Gas abzugeben, und einer Wasserstoffkonzentration zeigt;
- 3 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, um Gas abzugeben, und einer Wasserstoffkonzentration zeigt;
- 4 ein Flussdiagramm ist, das ein Beispiel der Vorgehensweise eines Abgabevorgangs zeigt;
- 5 ein Diagramm ist, das eine Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, um Gas abzugeben, und einer Wasserstoffkonzentration gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
- 6 eine Ansicht ist, die ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms veranschaulicht;
- 7 ein Schaubild ist, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht; und
- 8 ein Flussdiagramm ist, das ein Beispiel der Vorgehensweise eines Abgabevorgangs gemäß der Ausführungsform zeigt.
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Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
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A. Erste Ausführungsform
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1 ist ein Schaubild, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 500 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 500 umfasst eine erste Brennstoffzelleneinheit 100A, eine zweite Brennstoffzelleneinheit 100B, ein Mischgasabgabesystem 110 und eine Steuerungseinrichtung 120. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 500 eine ortsfeste Bauart. Das Brennstoffzellensystem 500 ist jedoch nicht darauf begrenzt und kann an einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug montiert werden.
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Die Konfiguration der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A und die Konfiguration der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B sind gleich. Deshalb wird hauptsächlich die Konfiguration der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A beschrieben und wird die Beschreibung der Konfiguration der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B zweckmäßig weggelassen. Wie in 1 gezeigt ist, sind Bezugszeichen mit dem Suffix „A“ den Bestandteilen der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A zugeordnet und sind Bezugszeichen mit dem Suffix „B“ anstelle von „A“ den Bestandteilen der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B zugeordnet. Um die Komponenten der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A und die Komponenten der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B voneinander zu unterscheiden, kann „erste“ und „zweite“, wie beispielsweise in dem Fall von „erster Brennstoffzellenstapel 10A“ und „zweiter Brennstoffzellenstapel 10B“ vorangestellt werden.
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Die erste Brennstoffzelleneinheit 100A umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10A, eine Einheitsteuerungseinrichtung 20A, ein Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A und ein Anodengas-Zuführ- und Abgabesystem 50A.
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Der Brennstoffzellenstapel 10A ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die elektrische Leistung unter Verwendung von Anodengas, wie Wasserstoffgas, und Kathodengas, wie Luft, die als Reaktionsgase zugeführt werden, erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 10A ist aus einer Vielzahl von geschichteten einzelnen Zellen 11A zusammengesetzt. Jede der einzelnen Zellen 11A umfasst eine Membranelektrodenbaugruppe (nicht gezeigt) und ein Paar Separatoren (nicht gezeigt). In der Membranelektrodenbaugruppe sind eine Anode (nicht gezeigt) bzw. eine Katode (nicht gezeigt) an beiden Flächen einer Elektrolytmembran (nicht gezeigt) angeordnet. Die Membranelektrodenbaugruppe ist zwischen dem Paar Separatoren angeordnet.
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Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A ist ein Computer, der eine CPU, einen Speicher und einen Schnittstellenschaltkreis umfasst. Teile (die später beschrieben werden) sind mit dem Schnittstellenschaltkreis verbunden. Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A gibt Signale zum Steuern des Startens und Anhaltens von jeder Vorrichtung in dem Brennstoffzellenstapel 10A in Übereinstimmung mit Anweisungen von der Steuerungseinrichtung 120 aus. Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A lässt ein in dem Speicher gespeichertes Steuerungsprogramm laufen, um die Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems 500 zu steuern und um den Betrieb zu steuern, um Gas von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A oder einem Anodengasabgabesystem 60A des Anodengas-Zuführ- und Abgabesystems 50A an das Mischgasabgabesystem 110 abzugeben. In der Einheitsteuerungseinrichtung 20A können eine, einige oder alle Steuerungen als Hardware-Schaltkreise realisiert werden.
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Das Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A führt dem Brennstoffzellenstapel 10A Kathodengas zu und gibt Kathodengas von dem Brennstoffzellenstapel 10A ab. Das Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A umfasst eine Kathodengasleitung 31A, einen Luftströmungsmesser 32A, einen Kompressor 33A, ein Einlassventil 34A, eine Bypassleitung 35A, ein Bypassventil 36A, eine Kathodenabgasleitung 41A und einen Kathodengasdruckminderer 42A. Die Kathodengasleitung 31A ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10A verbunden und versorgt den Brennstoffzellenstapel 10A mit von außen eingelassener Luft.
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Der Luftströmungsmesser 32A ist in der Kathodengasleitung 31A vorgesehen und misst den Betrag von zugeführter Einlassluft. Der Kompressor 33A ist zwischen dem Luftströmungsmesser 32A und dem Einlassventil 34A vorgesehen. Der Kompressor 33A verdichtet von außen eingelassene Luft und führt dem Brennstoffzellenstapel 10A die Luft als ein Kathodengas in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A zu. Der Kompressor 33A wird durch ein Verbrauchen von elektrischer Leistung angetrieben. Das Einlassventil 34A ist zwischen dem Kompressor 33A und dem Brennstoffzellenstapel 10A vorgesehen. Das Einlassventil 34A ist aus einem elektromagnetischen Ventil oder einem elektrisch betriebenen Ventil zusammengesetzt, das in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A öffnet oder schließt. Der Öffnungsgrad des Einlassventils 34A wird unter der Steuerung der Einheitsteuerungseinrichtung 20A eingestellt. Somit stellt das Einlassventil 34A die Strömungsrate von dem Brennstoffzellenstapel 10A zuzuführenden Kathodengas ein.
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Die Bypassleitung 35A verbindet die Kathodengasleitung 31A und die Kathodenabgasleitung 41A, ohne durch den Brennstoffzellenstapel 10A hindurch zu gehen. Das Bypassventil 36A ist in der Bypassleitung 35A vorgesehen. Das Bypassventil 36A ist aus einem elektromagnetischen Ventil oder einem elektrisch betriebenen Ventil zusammengesetzt, das in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A öffnet oder schließt. Wenn das Bypassventil 36A geöffnet ist, strömt ein Teil von Luft, die durch die Kathodengasleitung 31A strömt, über die Bypassleitung 35A in die Kathodenabgasleitung 41A.
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Die Kathodenabgasleitung 41A gibt Kathodenabgas, das von dem Brennstoffzellenstapel 10A abgegeben wird, und Kathodengas, das aus der Bypassleitung 35A strömt, an das Mischgasabgabesystem 110 ab. Der Kathodengasdruckminderer 42A ist in der Kathodenabgasleitung 41A vorgesehen. Der Kathodengasdruckminderer 42A stellt den Druck an einem Kathodengasauslass des Brennstoffzellenstapels 10A in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A ein.
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Das Anodengas-Zuführ- und Abgabesystem 50A führt dem Brennstoffzellenstapel 10A Anodengas zu und gibt Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel 10A ab. Das Anodengas-Zuführ- und Abgabesystem 50A umfasst eine Anodengasleitung 51A, einen Anodengasbehälter 52A, ein Hauptabsperrventil 53A, einen Anodengasdruckminderer 54A, einen Injektor 55A, eine Anodenabgasleitung 61A, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A, ein Ausstoßablassventil 63A, eine Zirkulationsleitung 64A und eine Anodengaspumpe 65A. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Kanal, der sich aus der Anodenabgasleitung 61A, dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A und dem Ausstoßablassventil 63A zusammensetzt, auch als ein Anodengasabgabesystem 60A bezeichnet. Das Anodengasabgabesystem 60A gibt Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel 10A ab. In der folgenden Beschreibung wird ein Kanal, der sich aus einem Teil der Anodengasleitung 51A, der stromabwärts des Injektors 55A gelegen ist, einem Kanal für Anodengas in dem Brennstoffzellenstapel 10A, der Anodenabgasleitung 61A, dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A, der Zirkulationsleitung 64A und der Anodengaspumpe 65A zusammensetzt, auch als Zirkulationskanal 66A bezeichnet. Der Zirkulationskanal 66A ist ein Kanal zum Zirkulieren von Anodenabgas von dem Brennstoffzellenstapel 10A zurück zu dem Brennstoffzellenstapel 10A.
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Der Anodengasbehälter 52A ist mit einem Anodengaseinlass des Brennstoffzellenstapels 10A über die Anodengasleitung 51A verbunden und führt dem Brennstoffzellenstapel 10A Anodengas zu. Das Hauptabsperrventil 53A, der Anodengasdruckminderer 54A und der Injektor 55A sind in der Anodengasleitung 51A in dieser Reihenfolge von der stromaufwärts gelegenen Seite, das heißt, von der dem Anodengasbehälter 52A benachbarten Seite, vorgesehen.
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Das Hauptabsperrventil 53A setzt sich aus einem elektromagnetischen Ventil oder einem elektrisch betriebenen Ventil zusammen, das in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A öffnet oder schließt. Das Hauptabsperrventil 53A ist während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems 500 geschlossen. Der Anodengasdruckminderer 54A stellt den Druck von Anodengas stromaufwärts des Injektors 55A in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A ein. Der Injektor 55A ist ein elektromagnetisch betriebenes Schaltventil, bei dem ein Ventilelement in Übereinstimmung mit einer Betriebszeitspanne und eine Ventilöffnungsdauer, die durch die Einheitsteuerungseinrichtung 20A festgesetzt werden, elektromagnetisch betrieben wird. Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A steuert den Betrag von Anodengas, das dem Brennstoffzellenstapel 10A zugeführt werden soll, durch ein Steuern der Betriebszeitspanne und der Ventilöffnungsdauer des Injektors 55A.
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Die Anodenabgasleitung 61A ist eine Leitung, die einen Anodengasauslass des Brennstoffzellenstapels 10A und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A verbindet. Die Anodenabgasleitung 61A leitet Anodenabgas, das nicht für eine Leistungserzeugungsreaktion verwendetes Wasserstoffgas, Stickstoffgas und dergleichen enthält, zu dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A.
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Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A ist zwischen der Anodenabgasleitung 61A und der Zirkulationsleitung 64A in dem Zirkulationskanal 66A verbunden. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A scheidet mindestens einen Teil von im Gas enthaltenem flüssigem Wasser von dem Gas ab, das von dem Brennstoffzellenstapel 10A abgegeben wird. Genauer gesagt scheidet der Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A Wasser als Beimengungen von Anodenabgas in dem Zirkulationskanal 66A ab und speichert das Wasser.
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Das Ausstoßablassventil 63A ist an dem unteren Teil des Gas-Flüssigkeitsabscheiders 62A vorgesehen. Das Ausstoßablassventil 63A stößt von dem Brennstoffzellenstapel 10A abgegebenes Gas aus. Genauer gesagt lässt das Ausstoßablassventil 63A in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A gespeichertes Wasser ab und stößt unnötiges Gas, hauptsächlich Stickstoffgas, in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A aus. Während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 500 ist das Ausstoßablassventil 63A im Normalfall geschlossen und öffnet oder schließt in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Ausstoßablassventil 63A mit der Kathodenabgasleitung 41A verbunden und werden Wasser und unnötiges Gas, die durch das Ausstoßablassventil 63A abgegeben werden, zu dem Mischgasabgabesystem 110 durch die Kathodenabgasleitung 41A abgegeben. Eine Leitung von einem Teil stromabwärts des Ausstoßablassventil 63A zu dem Mischgasabgabesystem 110 wird auch als Ausstoßrohrleitung 70A bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform haben die erste Ausstoßrohrleitung 70A und eine zweiten Ausstoßrohrleitung 70B das gleiche Volumen.
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Die Zirkulationsleitung 64A ist mit einem Teil der Anodengasleitung 51A verbunden, der stromabwärts des Injektors 55A gelegen ist. Die Anodengaspumpe 65A ist in der Zirkulationsleitung 64A vorgesehen. Die Anodengaspumpe 65A wird in Übereinstimmung mit einem Steuerungssignal von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A betrieben. Anodenabgas, von dem Wasser durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 62A abgeschieden wird, wird zu der Anodengasleitung 51A durch die Anodengaspumpe 65A ausgepumpt. In den Brennstoffzellensystem 500 wird die Effizienz der Nutzung von Anodengas durch ein Zirkulieren von Anodenabgas, das Wasserstoff enthält, und ein erneutes Zuführen des Anodenabgases zu dem Brennstoffzellenstapel 10A verbessert.
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Das Mischgasabgabesystem 110 mischt Gas, das von jedem der Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B und der Anodengasabgabesysteme 60A, 60B abgegeben wird, und gibt das Mischgas ab. Genauer gesagt steht das Mischgasabgabesystem 110 mit dem Äußeren eines Gehäuses (nicht gezeigt) in Verbindung, in dem die Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B aufgenommen sind, und gibt das von dem Brennstoffzellenstapel 10A abgegebene Gas über die Kathodenabgasleitung 41A und das von dem Brennstoffzellenstapel 10B abgegebene Gas über die Kathodenabgasleitung 41B an die Umgebung außerhalb des Gehäuses zusammen ab. (Prüfen)
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Die Steuerungseinrichtung 120 steuert jede der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B, in dem einer angegliederten der Einheitsteuerungseinrichtungen 20A, 20B eine Anweisung bereitgestellt wird. Genauer gesagt steuert die Steuerungseinrichtung 120 die Anodengasabgabesysteme 60A, 60B und die Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B über die Einheitsteuerungseinrichtung 20A, 20B, um einen Zeitpunkt zu verschieben, an dem sich Gas, das von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A ,100B abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt. Die Steuerungseinrichtung 120 steuert einen Betrieb unter Berücksichtigung der Strömungsrate und Wasserstoffkonzentration von Gas, das von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B abgegeben wird, und der Volumina der Ausstoßrohrleitungen 70A, 70B. Somit ist die Steuerungseinrichtung 120 in der Lage, eine übermäßige Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, über einen vorbestimmten Wert zu verhindern.
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2 ist ein Bezugsdiagramm, das die Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, zu dem jede der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B Gas abgibt, und einer Wasserstoffkonzentration zeigt. Der obere Graph G1a stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G1a die Wasserstoffkonzentration von Gas an einem Punkt P1 (1) in der ersten Ausstoßrohrleitung 70A unmittelbar stromaufwärts eines Punktes dar, wo die erste Ausstoßrohrleitung 70A und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind. Der obere Graph G2a stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G2a die Wasserstoffkonzentration von Gas an einem Punkt P2 (1) in der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B unmittelbar stromaufwärts eines Punktes dar, wo die zweiten Ausstoßrohrleitung 70B und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind. Der einfacheren Beschreibung halber ist der Graph G2a nach unten verschoben; jedoch überlappt der Graph G2a in Wirklichkeit den Graph G1a. Der untere Graph G3a stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G3a die Wasserstoffkonzentration von Gas an einem Punkt P3 (1) unmittelbar stromaufwärts eines Punktes dar, wo Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 nach außen abgegeben wird.
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Wie in 2 gezeigt ist, gibt die erste Brennstoffzelleneinheit 100A Gas an das Mischgasabgabesystem 110 ab und gibt die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 zum gleichen Zeitpunkt ab. Deshalb sind die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P1, das von der Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll, und die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P2, das von der Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll, zum gleichen Zeitpunkt t1 am höchsten. Der Scheitelwert der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von der Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll, und der Scheitelwert der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von der Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll, ist jeweils eine erste Konzentration Dh1. Die erste Konzentration Dh1 ist beispielsweise 8%. Deshalb nimmt die Wasserstoffkonzentration von Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 bis zu der ersten Konzentration Dh1 zu.
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3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, zu dem jede der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B Gas abgibt, und einer Wasserstoffkonzentration gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der obere Graph G1b stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G1b die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P1 in der ersten Ausstoßrohrleitung 70A unmittelbar stromaufwärts des Punktes dar, wo die erste Ausstoßrohrleitung 70A und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind. Der obere Graph G2b stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G2b die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P2 in der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B unmittelbar stromaufwärts des Punktes dar, wo die zweiten Ausstoßrohrleitung 70B und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind. Der einfacheren Beschreibung halber ist der Graph G2b nach unten verschoben; der Graph G2b überlappt jedoch in Wirklichkeit teilweise den Graph G1b. Der untere Graph G3b stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G3b die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P3 unmittelbar stromaufwärts des Punktes dar, wo Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 nach außen abgegeben wird.
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Wie in 3 gezeigt ist, ist die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P1, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll, zum Zeitpunkt t1 am höchsten. Die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B gibt Gas an das Mischgasabgabesystem 110 an einem späteren Zeitpunkt als die erste Brennstoffzelleneinheit 100A ab. Deshalb ist die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P2, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll, zum Zeitpunkt t2 am höchsten, der später als der Zeitpunkt t1 ist. Anders gesagt wird zum Zeitpunkt t1 Gas mit der ersten Konzentration Dh1, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A an das Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, durch Gas mit einer Wasserstoffkonzentration verdünnt, die niedriger als die erste Konzentration Dh1 ist, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll. Zum Zeitpunkt t2 wird Gas mit der ersten Konzentration Dh1, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B an das Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, durch Gas mit einer Wasserstoffkonzentration verdünnt, die niedriger als die ersten Konzentration Dh1 ist, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll. Deshalb ist der Scheitelwert der Wasserstoffkonzentration von Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 eine zweite Konzentration Dh2, die niedriger als die ersten Konzentration Dh1 ist. Die zweite Konzentration Dh2 ist beispielsweise 4%.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Vorgehensweise eines Abgabevorgangs gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Der Abgabevorgang ist ein Vorgang eines Steuerns, um Gas von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B an das Mischgasabgabesystem 110 abzugeben, von einem Satz der Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B und/oder einem Satz der Anodengasabgabesysteme 60A, 60B. Dieser Vorgang ist ein Vorgang, um durch die Einheitsteuerungseinrichtungen 20A, 20B durchgeführt zu werden, die eine Anweisung, um den Abgabevorgang zu beginnen, von der Steuerungseinrichtung 120 während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 500 empfangen. Die Anweisung, um den Abgabevorgang zu beginnen, wird beispielsweise ausgegeben, um unmittelbar nach einem Starten des Brennstoffzellensystems 500 Wasserstoff abzugeben, der während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems 500 von einer Anodenseite zu einer Kathodenseite in dem Brennstoffzellenstapel 10A durchgedrungen ist. Nachfolgend wird die erste Einheitsteuerungseinrichtung 20A als ein Beispiel beschrieben.
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Im Schritt S100 beginnt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A den Abgabevorgang. Beispielsweise speist die Einheitsteuerungseinrichtung 20A Kathodengas in den Brennstoffzellenstapel 10A durch ein Steuern des Luftströmungsmessers 32A, des Kompressors 33A und des Einlassventils 34A ein. Somit wird Wasserstoff, der während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems 500 von der Anodenseite zu der Kathodenseite in dem Brennstoffzellenstapel 10A durchgedrungen ist, von dem Brennstoffzellenstapel 10A nach außen abgegeben. Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A speist Anodengas in den Brennstoffzellenstapel 10A durch ein Steuern des Hauptabsperrventils 53A, des Anodengasdruckminderers 54A, des Injektors 55A und der Anodengaspumpe 65A ein.
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Im Schritt S110 sendet die Einheitsteuerungseinrichtung 20A Informationen über den Beginn des Abgabevorgangs an die Steuerungseinrichtung 120.
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Im Schritt S120 bestimmt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A, ob eine Wartezeit vom Abschluss von Schritt S110 länger als eine vorbestimmte Schwellenzeit ist. Anders gesagt bestimmt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A, ob die Einheitsteuerungseinrichtung 20A für eine Zeit in Bereitschaft gestanden ist, die länger als die Schwellenzeit ist. Die Schwellenzeit ist eine Zeit, die im Voraus für jede Brennstoffzelleneinheit bestimmt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schwellenzeit der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A kürzer als die Schwellenzeit der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B. Ein Unterschied zwischen der Schwellenzeit der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A und der Schwellenzeit der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B wird beispielsweise bestimmt, indem eine Zeit, die benötigt wird, um eine Wasserstoffkonzentration zu erreicht, die höher als oder gleich einem Referenzwert ist, mittels einer Simulation oder einem Experiment im Voraus beruhend auf einer zeitlichen Änderung einer Wasserstoffkonzentration in dem Fall, bei dem Gas von einer Brennstoffzelleneinheit abgegeben wird, bestimmt wird. Eine Anweisung für die Wartezeit wird durch die Steuerungseinrichtung 120 jeder der Einheitsteuerungseinrichtungen 20A, 20B bereitgestellt. Nachfolgend wird die Anweisung auch als eine Ventilsteuerungsanweisung bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform stellt die Steuerungseinrichtung 120 eine Ventilsteuerungsanweisung bereit, wenn ein Signal empfangen wird, um den Abgabevorgang zu beginnen, das von der Einheitsteuerungseinrichtung 20A im Schritt S110 übermittelt wird. Die Steuerungseinrichtung 120 kann eine Ventilsteuerungsanweisung mit einer Anweisung, um den Abgabevorgang zu beginnen, bereitstellen. Wenn die Wartezeit länger als die Schwellenzeit ist, schreitet die Einheitsteuerungseinrichtung 20A zum Schritt S130 fort. Andererseits, wenn die Wartezeit kürzer als die oder gleich der Schwellenzeit ist, kehrt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A zum Schritt S120 zurück. Anders gesagt wiederholt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A Schritt S120, bis die Schwellenzeit verstreicht.
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Im Schritt S130 führt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A eine Ventilsteuerung aus. Beispielsweise steuert die Einheitsteuerungseinrichtung 20A einen Betrieb, um das Bypassventil 36A, den Kathodengasdruckminderer 42A und das Ausstoßablassventil 63A zu öffnen. Somit wird Gas an die Kathodenabgasleitung 41A abgegeben. Anders gesagt wird Gas von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A und dem Anodengasabgabesystem 60A an das Mischgasabgabesystem 110 abgegeben.
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Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 500 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung 120 in der Lage, einen Zeitpunkt zu verschieben, zu dem sich Gas, das von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 miteinander vermengt. Deshalb wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem abgegeben wird, aufgrund eines Überlappens des Zeitpunktes unterdrückt.
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Das Brennstoffzellensystem 500 mischt Gas, das von jeder der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A und der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben wird, und gibt das Mischgas unter Verwendung des Mischgasabgabesystem 110 ab. Deshalb ist im Vergleich mit dem Fall, bei dem Gas von jeder der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A und der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B einzeln abgegeben wird, die Anzahl von Leitungen reduziert. Zudem wird beispielsweise die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem ersten Anodengasabgabesystem 60A abgegeben werden soll, nicht nur durch Gas verdünnt, das von dem ersten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A abgegeben werden soll, sondern auch durch Gas, das von dem zweiten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B abgegeben werden soll. Deshalb wird die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem ersten Anodengasabgabesystem 60A abgegeben werden soll, ohne eine Zunahme der Strömungsrate von Kathodengas, das dem ersten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A zugeführt werden soll, verdünnt.
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B. Zweite Ausführungsform
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Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform darin, dass das Volumen der ersten Ausstoßrohrleitung 70A von dem Volumen der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B verschieden ist. Die andere Konfiguration ist gleich der der ersten Ausführungsform, sodass die Beschreibung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems weggelassen wird.
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5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Zeitpunkt, zu dem jede der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B Gas abgibt, und einer Wasserstoffkonzentration gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Dieses Diagramm zeigt den Graph G1b und den Graph G2b zusätzlich zur 3. Der obere Graph G1b stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von dem ersten Anodengasabgabesystem 60A an die erste Ausstoßrohrleitung 70A abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G1b die Wasserstoffkonzentration von Gas an einem Punkt P11 (1) in der ersten Ausstoßrohrleitung 70A unmittelbar stromabwärts eines Punktes dar, wo das erste Anodengasabgabesystem 60A und die erste Ausstoßrohrleitung 70A verbunden sind. Der obere Graph G2b stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas dar, das von dem zweiten Anodengasabgabesystem 60B an die zweite Ausstoßrohrleitung 70B abgegeben werden soll. Genauer gesagt stellt der Graph G2b die Wasserstoffkonzentration von Gas an einem Punkt P22 (1) in der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B unmittelbar stromabwärts eines Punktes dar, wo das zweite Anodengasabgabesystem 60B und die zweite Ausstoßrohrleitung 70B verbunden sind. Der einfacheren Beschreibung halber ist der Graph G2b nach unten verschoben; der Graph G2b überlappt in Wirklichkeit jedoch teilweise den Graph G1b.
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In dem Fall, bei dem das Volumen der ersten Ausstoßrohrleitung 70A gleich dem Volumen der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B ist, wenn Gas von dem ersten Anodengasabgabesystem 60A an die erste Ausstoßrohrleitung 70A abgegeben wird und Gas von dem zweiten Anodengasabgabesystem 60B an die zweite Ausstoßrohrleitung 70B zum gleichen Zeitpunkt abgegeben wird, gibt die erste Brennstoffzelleneinheit 100A Gas an das Mischgasabgabesystem 110 ab und gibt die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 zum gleichen Zeitpunkt ab, wie in 2 gezeigt ist. Anders gesagt gibt die erste Ausstoßrohrleitung 70A Gas an das Mischgasabgabesystem 110 ab und gibt die zweiten Ausstoßrohrleitung 70B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 zum gleichen Zeitpunkt ab.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist das Volumen der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B größer als das Volumen der ersten Ausstoßrohrleitung 70A. Genauer gesagt sind der Durchmesser der ersten Ausstoßrohrleitung 70A und der Durchmesser der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B gleich und ist die Wegstrecke der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B in der Strömungsrichtung von Gas länger als die Wegstrecke der ersten Ausstoßrohrleitung 70A in der Strömungsrichtung von Gas. Deshalb, wie ganz oben von 5 gezeigt ist, selbst wenn Gas von dem ersten Anodengasabgabesystem 60A an die erste Ausstoßrohrleitung 70A und Gas von dem zweiten Anodengasabgabesystem 60B an die zweite Ausstoßrohrleitung 70B zum gleichen Zeitpunkt t0 abgegeben wird, gibt die erste Brennstoffzelleneinheit 100A Gas an das Mischgasabgabesystem 110 später ab als die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 abgibt, wie in der Mitte von 5 gezeigt ist. Deshalb ist die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P2, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll, zum Zeitpunkt t2 am höchsten, der später als der Zeitpunkt t1 ist, zu dem die Wasserstoffkonzentration von Gas an dem Punkt P1, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll, am höchsten ist.
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Mit dem wie oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 500 gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Unterschied im Volumen zwischen den Ausstoßrohrleitungen derart gestaltet, dass sich, selbst wenn Gas von jedem der Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B und der Anodengasabgabesysteme 60A, 60B zum gleichen Zeitpunkt abgegeben wird, Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 zu verschiedenen Zeitpunkten vermengt. Anders gesagt kann mit einem Unterschied im Volumen zwischen den Ausstoßrohrleitungen, selbst wenn Gas von den Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystemen 30A, 30B und den Anodengasabgabesystemen 60A, 60B zum gleichen Zeitpunkt abgegeben wird, der Zeitpunkt, zu dem sich Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt, verschoben werden. Deshalb wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben wird, unterdrückt. Deshalb wird mit einer einfachen Steuerung eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben wird, aufgrund eines Überlappens des Zeitpunktes unterdrückt.
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C. Dritte Ausführungsform
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Ein Abgabevorgang gemäß einer dritten Ausführungsform ist ein Vorgang, der während einer Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems 500 durchgeführt werden soll. Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der dritten Ausführungsform ist die gleiche wie die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform, sodass die Beschreibung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems weggelassen wird.
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In der dritten Ausführungsform bewirkt die Steuerungseinrichtung 120, dass sich das erste Ausstoßablassventil 63A und das zweite Ausstoßablassventil 63B derart zu verschiedenen Zeitpunkten öffnen, dass die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, niedriger als ein vorbestimmte Wert ist. Die Steuerungseinrichtung 120 ermittelt den Betrag von Wasserstoff, der von jedem der Ausstoßablassventile 63A, 63B abgegeben werden soll, beispielsweise unter Verwendung eines Reaktionsverhältnisses zwischen Anodengas und Kathodengas, das von dem Betrag einer elektrischen Leistung ermittelt wird, die durch jeden der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B erzeugt wird, und einer Reduzierung eines Umgebungsdrucks, der durch ein Manometer gemessen wird, das in jeder der Anodenabgasleitungen 61A, 61B vorgesehen ist. Die Steuerungseinrichtung 21 ist in der Lage, die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, beispielsweise unter Verwendung des ermittelten Betrags von Wasserstoff und der Strömungsrate von Kathodengas, das von jedem von dem ersten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A und dem zweiten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B abgegeben werden soll, abzuschätzen, und steuert den Zeitpunkt, um das erste Ausstoßablassventil 63A zu öffnen, und den Zeitpunkt, um das zweite Ausstoßablassventil 63B zu öffnen, beruhend auf der Abschätzung.
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Die Steuerungseinrichtung 120 übermittelt beispielsweise eine Wartezeit ( 4, Schritt S120) an jede der Einheitsteuerungseinrichtungen 20A, 20B durch ein Festsetzen eines Unterschieds im Zeitintervall, das benötigt wird, bis die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B abgegeben werden soll, von dem Scheitelwert auf eine Normalkonzentration abnimmt, als eine Ventilsteuerungsanweisung.
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Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 500 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bewirkt die Steuerungseinrichtung 120, dass die Ausstoßablassventile 63A, 63B zu verschiedenen Zeitpunkten öffnen, um Gas von den Anodengasabgabesystemen 60A, 60B an das Mischgasabgabesystem 110 abzugeben. Selbst wenn das Volumen der ersten Ausstoßrohrleitung 70A und das Volumen der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B gleich sind, kann der Zeitpunkt, zu dem sich Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt, verschoben werden. Deshalb wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben wird, unterdrückt.
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D. Vierte Ausführungsform
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Ein Abgabevorgang gemäß einer vierten Ausführungsform ist ein Vorgang, der nach einem Starten des Brennstoffzellensystems 500 durchgeführt werden soll. Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der vierten Ausführungsform ist die gleiche wie die Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform, sodass die Beschreibung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems weggelassen wird.
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In der vierten Ausführungsform bewirkt die Steuerungseinrichtung 120, dass das erste Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A und das zweite Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 zu verschiedenen Zeitpunkten abgibt. Genauer gesagt bewirkt die Steuerungseinrichtung 120, dass das erste Einlassventil 34A und das zweite Einlassventil 34B zu verschiedenen Zeitpunkten öffnen, um zu bewirken, dass das erste Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A und das zweite Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B Gas an das Mischgasabgabesystem 110 zu verschiedenen Zeitpunkten abgeben. Somit kann der Zeitpunkt, zu dem sich Gas, das von den Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystemen 30A, 30B abgegeben werden soll, wobei das Gas Wasserstoff enthält, der sich in den Brennstoffzellenstapeln 10A, 10B während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems 500 von der Anode zu der Katode bewegt hat, in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt, verschoben werden.
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6 ist eine Ansicht, die ein Beispiel eines Zeitablaufdiagramms zeigt, das den AN/AUS-Zustand eines Startanforderungssignals, eines Befehls, um jedes der Einlassventile 34A, 34B zu öffnen, und die Strömungsrate von in jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B zugeführtem Kathodengas zeigt. In 6 bedeutet der AN-Zustand des Startanforderungssignals, das eine Startanforderung ausgegeben wird, und bedeutet der AUS-Zustand, das eine Startanforderung nicht ausgegeben wird. Die Wasserstoffkonzentration in 6 stellt die Wasserstoffkonzentration von Gas in der ersten Ausstoßrohrleitung 70A unmittelbar stromaufwärts des Punktes, wo die erste Ausstoßrohrleitung 70A und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind, und die Wasserstoffkonzentration von Gas in der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B unmittelbar stromaufwärts des Punktes, wo die zweiten Ausstoßrohrleitung 70B und das Mischgasabgabesystem 110 verbunden sind, dar. Der Fall, bei dem die Ausstoßablassventile 63A, 63B geschlossen sind, wird als ein Beispiel beschrieben. Anders gesagt wird der Fall, bei dem Gas nicht von den Anodengasabgabesystemen 60A, 60B an das Mischgasabgabesystem 110 abgegeben wird, als ein Beispiel beschrieben.
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Wie in 6 gezeigt ist, empfängt die erste Brennstoffzelleneinheit 100A nachdem das Startanforderungssignal auf den AN-Zustand festgesetzt wird einen Befehl, um das Einlassventil 34A zum Zeitpunkt t4 zu öffnen, und öffnet das erste Einlassventil 34A. Deshalb nimmt die Strömungsrate von Kathodengas, das in die erste Brennstoffzelleneinheit 100A zugeführt wird, vom Zeitpunkt t4 zu und wird die Strömungsrate Q1. Die Wasserstoffkonzentration von Abgabegas in der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A nimmt vom Zeitpunkt t4 zu, erreicht eine höchste Konzentration Dh3 zum Zeitpunkt t5, der später als der Zeitpunkt t4 ist, und nimmt ab. Die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B empfängt einen Befehl, um das zweite Einlassventil 34B zum Zeitpunkt t6 zu öffnen, der später als der Zeitpunkt t4 ist, und öffnet das zweite Einlassventil 34B. Der Zeitpunkt t6 kann durch Simulation oder Experiment im Voraus derart bestimmt werden, dass die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, niedriger als der vorbestimmte Wert ist. Deshalb nimmt die Strömungsrate von Kathodengas, das in die zweite Brennstoffzelleneinheit 100B zugeführt wird, vom Zeitpunkt t6 zu und wird die Strömungsrate Q1. Die Wasserstoffkonzentration von Abgabegas in der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B nimmt vom Zeitpunkt t6 zu, erreicht die höchste Konzentration Dh3 zum Zeitpunkt t7, der später als der Zeitpunkt t6 ist, und nimmt ab. Deshalb sind in dem Mischgasabgabesystem 110 der Zeitpunkt, zu dem sich Gas mit der Konzentration Dh3, das von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A abgegeben werden soll, vermengt, und der Zeitpunkt, zu dem sich Gas mit der Konzentration Dh3, das von dem zweiten Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B abgegeben werden soll, vermengt, voneinander verschoben.
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Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 500 gemäß der vorliegenden Ausführungsform steuert die Steuerungseinrichtung 120 beim Starten des Brennstoffzellensystems 500 die Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B, um zu bewirken, dass das erste Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A dem Brennstoffzellenstapel 10A Kathodengas zu einem Zeitpunkt zuführt, der von einem Zeitpunkt verschieden ist, zu dem bewirkt wird, dass das zweite Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30B Kathodengas zuführt, und um Gas von dem Inneren des Brennstoffzellenstapels 10A abzugeben. Von den Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystemen 30A, 30B abgegebenes Gas beim Starten enthält Wasserstoff, der sich während eines Anhaltens des Brennstoffzellensystems 500 von der Anode zu der Katode in den Brennstoffzellenstapeln 10A, 10B bewegt hat. Der Zeitpunkt, um Gas von jedem der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B abzugeben, wird durch ein Steuern des Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystems 30A beim Starten verschoben, sodass der Zeitpunkt, zu dem sich Gas in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt, voneinander verschoben werden kann, selbst wenn das Volumen der ersten Ausstoßrohrleitung 70A und das Volumen der zweiten Ausstoßrohrleitung 70B gleich sind. Deshalb wird eine Zunahme der Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben wird, unterdrückt.
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E. Andere Ausführungsformen
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(E1) 7 ist ein Schaubild, das ein Brennstoffzellensystem 501 gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht. In den oben beschriebenen Ausführungsformen werden in der Brennstoffzelleneinheit 100A von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A abgegebenes Gas und von dem Anodengasabgabesystem 60A abgegebenes Gas in der Kathodenabgasleitung 41A gemischt und abgegeben. Alternativ können in einer Brennstoffzelleneinheit 101A, wie in 7 gezeigt ist, von dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem 30A abgegebenes Gas und von dem Anodengasabgabesystem 60A abgegebenes Gas direkt an ein Mischgasabgabesystem 111 abgegeben werden, ohne gemischt zu werden. Das gleiche trifft auf die in 7 gezeigte Brennstoffzelleneinheit 101B zu.
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(E2) In den oben beschriebenen Ausführungsformen umfasst das Brennstoffzellensystem 500 zwei Brennstoffzelleneinheiten. Die Konfiguration ist jedoch darauf nicht begrenzt und das Brennstoffzellensystem 500 muss lediglich eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten umfassen und kann drei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten umfassen. In diesem Fall steuert die Steuerungseinrichtung 120 einen Betrieb derart, dass sich Gas, das von einer oder einigen der Brennstoffzelleneinheiten abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 zu einem Zeitpunkt vermengt, der von einem Zeitpunkt verschieden ist, zu dem sich Gas, das von einer anderen oder anderen der Brennstoffzelleneinheiten abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt. Wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem 500 drei Brennstoffzelleneinheiten umfasst, muss sich Gas, das von einer der Brennstoffzelleneinheiten abgegeben wird, lediglich in dem Mischgasabgabesystem 110 zu einem Zeitpunkt vermengen, der von einem Zeitpunkt verschieden ist, zudem sich Gas, das von den anderen zwei Brennstoffzelleneinheiten abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 vermengt, und Gas, das von den anderen zwei Brennstoffzelleneinheiten abgegeben wird, kann sich in dem Mischgasabgabesystem 110 zum gleichen Zeitpunkt vermengen.
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(E3) In den oben beschriebenen Ausführungsformen steuert die Steuerungseinrichtung 120 die Anodengasabgabesysteme 60A, 60B und die Kathodengas-Zuführ- und Abgabesysteme 30A, 30B über die Einheitsteuerungseinrichtung 20A, 20B. Alternativ steuert die Steuerungseinrichtung 120 nur irgendeins von dem Paar von Anodengasabgabesystemen 60A, 60B und dem Paar von Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystemen 30A, 30B über die Einheitsteuerungseinrichtung in 20A, 20B, um den Zeitpunkt zu verschieben, zu dem sich Gas, das von jedem der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B abgegeben wird, in dem Mischgasabgabesystem 110 miteinander vermengt.
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(E4) In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann die Steuerungseinrichtung 120 des Weiteren ein Ventil steuern, das mit dem Mischgasabgabesystem 110 verbunden ist und Gas abgibt, das Wasserstoff enthält. Beispielsweise ist in einem Kühlsystem des Brennstoffzellenstapels 10A, das in jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B umfasst ist, die Steuerungseinrichtung 120 in der Lage, ein Regelventil zu steuern, das in einer Leitung zum, wenn das Kühlsystem versagt, Strömen von Gas, das Wasserstoff enthält, das von einem Reservebehälter abgegeben wird, zu der Kathodenabgasleitung 41A vorgesehen ist. Die Steuerungseinrichtung 120 ist auch in der Lage, ein Regelventil zu steuern, das in einer Leitung zum Strömen von Gas, das Wasserstoff enthält, das von dem Gehäuse abgegeben wird, das jeden der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B aufnimmt, zu der Kathodenabgasleitung 41A vorgesehen ist.
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(E5) In den oben beschriebenen Ausführungsformen stellt die Steuerungseinrichtung 120 eine Ventilsteuerungsanweisung bereit, um eine Anweisung für jede Wartezeit an eine angegliederte der Einheitsteuerungseinrichtungen 20A, 20B bereitzustellen, wenn ein Signal empfangen wird, um den Abgabevorgang zu beginnen, das von einer angegliederten der Einheitsteuerungseinrichtung 20A, 20B übermittelt wird.
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Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 120 eine Ventilsteuerungsanweisung der zweiten Einheitsteuerungseinrichtung 20B bereitstellen, wenn die erste Einheitsteuerungseinrichtung 20A eine Ventilsteuerung ausführt (4, Schritt S130). Die Steuerungseinrichtung 120 bestimmt beispielsweise eine Wartezeit für die zweite Einheitsteuerungseinrichtung 20B derart, dass sich Gas, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben wird, und Gas, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben wird, miteinander vermengen und die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, niedriger als ein vorbestimmte Wert wird.
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(E6) 8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Vorgehensweise eines Abgabevorgangs gemäß der Ausführungsform zeigt. In der ersten Ausführungsform bestimmt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A im Schritt S120 von 4, ob die Wartezeit länger als die vorbestimmte Schwellenzeit ist. Wie in 8 gezeigt ist, kann die Einheitsteuerungseinrichtung 20A Schritt S125 anstelle von Schritt S120 durchführen. Die Einheitsteuerungseinrichtung 20A bestimmt im Schritt S125, ob die Ventilsteuerungsanweisung empfangen wurde. Wenn die Ventilsteuerungsanweisung empfangen wurde, schreitet die Einheitsteuerungseinrichtung 20A zum Schritt S130 fort und führt eine Ventilsteuerung aus. Andererseits, wenn die Ventilsteuerungsanweisung nicht empfangen wurde, kehrt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A zum Schritt S125 zurück. Anders gesagt wiederholt die Einheitsteuerungseinrichtung 20A Schritt S125 bis die Ventilsteuerungsanweisung empfangen wird.
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Anders gesagt stellt in der ersten Ausführungsform die Steuerungseinrichtung 120 gleichzeitig eine Ventilsteuerungsanweisung sowohl an die erste Einheitsteuerungseinrichtung 20A als auch die zweite Einheitsteuerungseinrichtung 20B bereit und jede der ersten Einheitsteuerungseinrichtung 20A und der zweiten Einheitsteuerungseinrichtung 20B führt eine Ventilsteuerung zu verschiedenen Zeitpunkten aus. Alternativ kann die Steuerungseinrichtung 120 eine Ventilsteuerung zu verschiedenen Zeitpunkten dadurch ausführen, dass eine Ventilsteuerungsanweisung an jede der ersten Einheitsteuerungseinrichtung 20A und der zweiten Einheitsteuerungseinrichtung 20B zu verschiedenen Zeitpunkten bereitgestellt wird. Beispielsweise, wo ein Punkt in der Ausstoßrohrleitung ist, an dem die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von jeder der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B abgegeben werden soll, am höchsten ist, kann durch Simulation oder Experiment im Voraus beruhend auf dem Volumen der Katode von jedem der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B und dem Volumen einer Leitung stromabwärts der Katode in einer angegliederten der Brennstoffzelleneinheiten 100A, 100B und der Strömungsrate von Luft beim Starten des Brennstoffzellensystems 500 bestimmt werden. Somit kann der Zeitpunkt, zu dem die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von der ersten Brennstoffzelleneinheit 100A abgegeben werden soll, am höchsten ist, und der Zeitpunkt, zu dem die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von der zweiten Brennstoffzelleneinheit 100B abgegeben werden soll, am höchsten ist, voneinander verschoben werden.
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(E7) In der dritten Ausführungsform berechnet die Steuerungseinrichtung 120 die Wasserstoffkonzentration von Gas, das von dem Mischgasabgabesystem 110 abgegeben werden soll, unter Verwendung des Betrags von elektrischer Leistung, die durch jeden der Brennstoffzellenstapel 10A, 10B erzeugt wird, und dergleichen. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem 500 einen Wasserstoffkonzentrationssensor in jeder Leitung umfassen und kann die Steuerungseinrichtung 120 Wasserstoffkonzentrationen erlangen, die jeweils durch die Wasserstoffkonzentrationssensoren gemessen werden.
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Die Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt und kann in verschiedenen Arten und Weisen realisiert werden, ohne von der Intention der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Charakteristiken in den Ausführungsformen, die den technischen Charakteristiken in den im Abschnitt „Zusammenfassung der Erfindung“ beschriebenen Aspekten entsprechen, nach Bedarf ersetzt oder kombiniert werden, um die oben beschriebene Schwierigkeit zu lösen oder um einen, einige oder alle der oben beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu erzielen. Wenn die technischen Charakteristiken in der Beschreibung nicht als unentbehrlich beschrieben werden, können sie nach Bedarf gestrichen werden.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst Brennstoffzelleneinheiten (100A, 101A, 100B, 101B), die jeweils einen Brennstoffzellenstapel (10A, 10B), ein Anodengasabgabesystem (60A, 60B), das eingerichtet ist, um Anodengas von dem Brennstoffzellenstapel (10A, 10B) abzugeben, und ein Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem (30A, 30B) umfassen, das eingerichtet ist, um dem Brennstoffzellenstapel (10A, 10B) Kathodengas zuzuführen und Kathodengas von dem Brennstoffzellenstapel (10A, 10B) abzugeben, ein Mischgasabgabesystem (110, 111), das eingerichtet ist, um von dem Anodengasabgabesystem (60A, 60B) und dem Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem (30A, 30B) abgegebenes Gas von jeder der Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (100A, 101A, 100B, 101B) zu mischen und das Mischgas abzugeben, und eine Steuerungseinrichtung (120), die eingerichtet ist, um die Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten (100A, 101A, 100B, 101B) zu steuern. Die Steuerungseinrichtung (120) ist eingerichtet, um das Anodengasabgabesystem (60A, 60B) und/oder das Kathodengas-Zuführ- und Abgabesystem (30A, 30B) von jeder der Brennstoffzelleneinheiten (100A, 101A, 100B, 101B) zu steuern, um einen Zeitpunkt, zu dem sich abzugebendes Gas von jeder der Brennstoffzelleneinheiten (100A, 101A, 100B, 101B) in dem Mischgasabgabesystem (110, 111) miteinander vermengt, zu verschieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2019207802 [0002]
- JP 2019 [0002]
- JP 207802 A [0002]
