DE102022105485A1

DE102022105485A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022105485A1
Application number: DE102022105485.3A
Authority: DE
Inventors: Yuuki Kasahara; Masayuki Ito; Satoshi Andoh
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2022-03-09
Publication date: 2022-09-15
Also published as: US11799098B2; US20220293974A1; CN115084582A; JP2022138350A; JP7435506B2; KR20220127163A

Abstract

In einem Brennstoffzellensystem, das so konfiguriert ist, dass es das Auftreten eines teilweisen Brennstoffgasmangels in einer Brennstoffzelle unterdrückt, wird mindestens ein aus der aus einem ersten Injektor und einem zweiten Injektor bestehenden Gruppe gewählter Injektor entsprechend einem Ausgangsstromwert durch Einschaltdauersteuerung angetrieben, um einen Brennstoffgasdruck zur Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten; wobei eine Steuerung bestimmt, ob der Ausgangsstromwert größer als ein vorbestimmter erster Schwellenwert ist oder nicht; und wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgansstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt und die Steuerung den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt, um ein Ventil des zweiten Injektors zumindest dann zu öffnen, während ein Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle (FC) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die in einer einzelnen Einheitsbrennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel (kann nachstehend als „Stapel“ bezeichnet werden), der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (kann nachstehend als „Zelle“ bezeichnet werden) besteht, durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmittelgas (z. B. Sauerstoff) elektrische Energie erzeugt. In vielen Fällen sind das Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, tatsächlich Gemische mit Gasen, die nicht zur Oxidation und Reduktion beitragen. Insbesondere das Oxidationsmittelgas ist häufig sauerstoffhaltige Luft.
Im Folgenden können das Brennstoffgas und Oxidationsmittelgas gemeinsam und vereinfacht als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden. Ebenso kann eine einzelne Einheitsbrennstoffzelle und ein aus gestapelten Einheitszellen bestehender Brennstoffzellenstapel als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
Die Einheitsbrennstoffzelle weist im Allgemeinen eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf.
Die Membran-Elektroden-Einheit hat einen derartigen Aufbau, dass auf beiden Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran (kann nachstehend einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet werden) nacheinander eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht (oder GDL, kann nachstehend einfach als „Diffusionsschicht“ bezeichnet werden) ausgebildet sind. Dementsprechend kann die Membran-Elektroden-Einheit auch als „Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit“ (MEGA) bezeichnet werden.
Die Einheitsbrennstoffzelle enthält bei Bedarf zwei Separatoren, die beide Seiten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit bedecken. Die Separatoren haben im Allgemeinen einen derartigen Aufbau, dass auf einer mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche eine Nut als Reaktionsgasströmungsweg ausgebildet ist. Die Separatoren haben Elektronenleitfähigkeit und fungieren als ein Kollektor erzeugter Elektrizität.
In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird Wasserstoff (H₂) als das Brennstoffgas, das aus dem Gasströmungsweg und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Wirkung der Katalysatorschicht protoniert, wobei der protonierte Wasserstoff durch die Elektrolytmembran zur Oxidationsmittelelektrode (Kathode) geht. Gleichzeitig wird ein Elektron erzeugt, wobei es durch eine externe Schaltung geht, arbeitet und dann zur Kathode geht. Sauerstoff (O₂) als das Oxidationsmittelgas, das der Kathode zugeführt wird, reagiert mit Protonen und Elektronen in der Katalysatorschicht der Kathode, wodurch Wasser erzeugt wird. Das erzeugte Wasser verleiht der Elektrolytmembran ausreichende Feuchtigkeit, wobei überschüssiges Wasser die Gasdiffusionsschicht durchdringt und dann zur Außenseite des Systems abgeleitet wird.
Es sind verschiedene Untersuchungen zu Brennstoffzellensystemen durchgeführt worden, die so konfiguriert sind, dass sie in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (kann nachstehend als „Fahrzeug“ bezeichnet werden) installiert und verwendet werden.
Zum Beispiel offenbart die JP 2011 - 179 333 A ein Brennstoffzellensystem zur Verbesserung des Zirkulationsvermögens eines Brennstoffzellenzirkulationssystems, das Anodenabgas zirkuliert, das aus einem Brennstoffzellenstapel abgeleitet wird.
Die JP 2020 - 123 458 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem die Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle unterdrückt wird.
Die JP 2019 - 169 264 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das durch eine einfache Steuerung dazu imstande ist, stabil Brennstoffabgas zu einer Brennstoffzelle zu zirkulieren, und das dazu imstande ist, abhängig von den Umständen die Wasserableitungseffizienz der Brennstoffzelle zu steigern und Geräusche und Schwingungen während des Betriebs von Injektoren zu reduzieren.
JP 2014 - 123 555 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das ordnungsgemäß Brennstoffgas zuführen kann.
In dem Brennstoffgassystem eines Brennstoffzellensystems ist es wichtig, die Zirkulationsleistung der Brennstoffzirkulationsvorrichtung zu steigern, die das Brennstoffabgas zirkuliert, das aus der Brennstoffzelle abgeleitet wird.
Wenn die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle groß ist, wird, während das Ventil des Injektors geschlossen ist, der Druck im Zirkulationsströmungsweg rasch abgebaut. Aufgrund des Einflusses von Schwankungen des Druckwerts, der durch den Drucksensor erfasst wird, von Signalübertragungsverzögerungen usw. fällt der Druck im Zirkulationsströmungsweg unter die Untergrenze eines voreingestellten Druckbereichs. Dadurch besteht die Möglichkeit eines Wasserstoffmangels in der Brennstoffzelle und einer Verschlechterung des Katalysators der Brennstoffzelle.
In der oben genannten Konfiguration der JP 2011 - 179 333 A injizieren der erste Injektor und der zweite Injektor den Brennstoff abwechselnd, wobei die durch die Injektoren injizierten Mengen der Brennstoffe die gleichen sind. Bei einer Hochlaststromerzeugung der Brennstoffzelle wird, während der Injektor geschlossen ist, der Druck im Zirkulationsströmungsweg rasch abgebaut, wobei die Konfiguration der JP 2011 - 179 333 A das Problem nicht lösen kann. Dementsprechend besteht die Möglichkeit, dass ein teilweiser Brennstoffgasmangel in der Brennstoffzelle auftritt und sich der Katalysator der Brennstoffzelle verschlechtert.
KURZDARSTELLUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das so konfiguriert ist, dass es das Auftreten eines teilweisen Brennstoffgasmangels in einer Brennstoffzelle unterdrückt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt,
wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst:

eine Brennstoffzelle,
einen Stromsensor zum Erfassen eines Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelle,
einen Brennstoffgaszuführer zum Zuführen von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle,
einen Zirkulationsströmungsweg, der einen Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle und einen Brennstoffgaseinlass der Brennstoffzelle verbindet, um Brennstoffabgas, das aus dem Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle abgeleitet wird, zu ermöglichen, als Zirkulationsgas zum Brennstoffgaseinlass der Brennstoffzelle rückgeführt und zirkuliert zu werden,
einen Ejektor, der in dem Zirkulationsströmungsweg angeordnet ist,
einen Brennstoffgaszuführungsströmungsweg, der den Brennstoffgaszuführer und den Ejektor verbindet,
einen Injektorsatz, der stromaufwärts vom Ejektor des Brennstoffgaszuführungsströmungswegs angeordnet ist,
einen Gas-Flüssigkeitsabscheider, der stromaufwärts vom Ejektor des Zirkulationsströmungswegs angeordnet ist,
einen Brennstoffabgasableitungsströmungsweg, der vom Gas-Flüssigkeitsabscheider des Zirkulationsströmungswegs abzweigt, um dem Brennstoffabgas zu ermöglichen, zur Außenseite des Brennstoffzellensystems abgeleitet zu werden,
einen Drucksensor, der in dem Zirkulationsströmungsweg angeordnet ist, und
eine Steuerung,
wobei der Injektorsatz parallel einen ersten Injektor und einen zweiten Injektor umfasst;
wobei eine pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors kleiner als die des ersten Injektors ist;
wobei mindestens ein aus der aus dem ersten Injektor und dem zweiten Injektor bestehenden Gruppe ausgewählter Injektor entsprechend dem Ausgangsstromwert durch Einschaltdauersteuerung angetrieben wird, um einen Brennstoffgasdruck zur Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten;
wobei die Steuerung bestimmt, ob der Ausgangsstromwert größer als ein vorbestimmter erster Schwellenwert ist oder nicht; und
wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt und die Steuerung den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt, um ein Ventil des zweiten Injektors zumindest dann zu öffnen, während ein Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.

Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, kann die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben und die Steuerung kann den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben, um das Ventil des zweiten Injektors zu öffnen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geschlossen wurde, und um das Ventil des zweiten Injektors zu schließen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geöffnet wurde.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, kann die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben und die Steuerung kann das Ventil des zweiten Injektors so steuern, dass es ständig geöffnet ist.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert ist, kann die Steuerung bestimmen, ob der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, kann die Steuerung das Ventil des ersten Injektors ständig schließen und den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert ist, kann die Steuerung das Ventil des zweiten Injektors ständig schließen und den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung wird das Auftreten eines teilweisen Brennstoffgasmangels in der Brennstoffzelle unterdrückt.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen ist

1 ein schematisches Konfigurationsschaubild eines Beispiels für das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem konstanten mittleren Laststrom darstellt;
3 ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle des Stands der Technik bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt;
4 ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Drucks P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt;
5 ein Schaubild, das ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt;
6 ein Schaubild, das ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt; und
7 ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem,
wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst:

In dem Brennstoffzellensystem, das den ersten Injektor, den zweiten Injektor und den Zirkulationsströmungsweg als das Brennstoffgassystem aufweist und in dem die pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors kleiner als die des ersten Injektors ist, ist die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle groß und es besteht die Möglichkeit, dass der Druck des Zirkulationsströmungswegs rasch abgebaut wird, während der erste Injektor angehalten wird, und dass ein teilweiser Brennstoffgasmangel auftritt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn (1) die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle groß ist, (2) das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist und (3) ein Abbau des Drucks im Zirkulationsströmungsweg groß ist, der zweite Injektor verwendet, um den Druckabbau im Zirkulationsströmungsweg zu verlangsamen. Und zwar wird, während der erste Injektor angehalten wird, das Brennstoffgas aus dem zweiten Injektor injiziert, um den raschen Druckabbau des Zirkulationsströmungswegs zu unterdrücken. Offenbarungsgemäß ist es auch dann, wenn der Druck im Zirkulationsströmungsweg rasch abgebaut wird, weniger wahrscheinlich, dass der Druck im Zirkulationsströmungsweg unter die Untergrenze des voreingestellten Druckbereichs fällt. Dadurch werden das Auftreten eines Brennstoffgasmangels in der Brennstoffzelle und die Verschlechterung des Katalysators der Brennstoffzelle unterdrückt.
1 ist ein schematisches Konfigurationsschaubild eines Beispiels für das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung.
Ein Brennstoffzellensystem 100, das in 1 gezeigt ist, enthält eine Brennstoffzelle 10; darüber hinaus enthält das Brennstoffzellensystem 100 als das Brennstoffgassystem einen Brennstoffgaszuführungsströmungsweg 11, einen Zirkulationsströmungsweg 12, einen Brennstoffabgasableitungsströmungsweg 13, einen Brennstoffgaszuführer 21, ein Hauptabsperrventil 22, ein Druckregelventil 23, einen ersten Injektor 24, einen zweiten Injektor 25, einen Ejektor 26, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 27, ein Entlüftungs- und Ableitungsventil 28, einen Drucksensor 29, einen Stromsensor 30 und eine Steuerung 40. In 1 ist nur das Brennstoffgassystem dargestellt, wobei andere Systeme wie das Oxidationsmittelgassystem und das Kühlsystem nicht dargestellt sind.
Der Drucksensor 29 erfasst den Druck des Brennstoffgases. Der Drucksensor 29 ist elektrisch mit der Steuerung 40 verbunden und sendet den erfassten Brennstoffgasdruck zur Steuerung 40.
Der Stromsensor 30 erfasst den Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle. Der Stromsensor 30 ist elektrisch mit der Steuerung 40 verbunden und sendet den erfassten Ausgangstromwert der Brennstoffzelle zur Steuerung 40.
Das Druckregelventil 23 ist elektrisch mit der Steuerung 40 verbunden und reduziert den auf den ersten Injektor 24 und den zweiten Injektor 25 aufgebrachten Druck um beispielsweise etwa 1 MPa.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 27 ist am Abzweigungspunkt des Zirkulationsströmungswegs 12 in den Brennstoffabgasableitungsströmungsweg 13 angeordnet. Er scheidet das Brennstoffgas und Wasser aus dem Brennstoffabgas ab, das das aus dem Anodenauslass abgeleitete Brennstoffgas ist, und er führt das Brennstoffgas als das Zirkulationsgas zum Zirkulationsströmungsweg 12 zurück.
Die Steuerung 40 ist elektrisch mit dem Entlüftungs- und Ableitungsventil 28 verbunden. Bei Bedarf öffnet sie das Entlüftungs- und Ableitungsventil 28, um unnötiges Gas, Wasser und dergleichen aus dem Brennstoffabgasableitungsströmungsweg 30 zur Außenseite abzuleiten.
Der Ejektor 26 ist an der Verbindungsstelle des Zirkulationsströmungswegs 12 mit dem Brennstoffgaszuführungsströmungsweg 11 angeordnet.
Der erste Injektor 24 und der zweite Injektor 25 sind stromaufwärts vom Ejektor 26 des Brennstoffgaszuführungsströmungswegs 11 angeordnet.
Die Steuerung 50 ist elektrisch mit dem ersten Injektor 24 und dem zweiten Injektor 25 verbunden. Entsprechend dem Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle 10 schaltet die Steuerung 50 zwischen Antreiben/Anhalten des ersten Injektors 24 und des zweiten Injektors 25 um. Die pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors 25 ist kleiner als die des ersten Injektors 24.
Wenn der Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle 10 klein ist, ermöglicht die Steuerung 50 dem Brennstoffgas, nur von dem zweiten Injektor 25 zugeführt zu werden. Wenn der Ausgangsstromwert mäßig hoch ist, ermöglicht die Steuerung 50 dem Brennstoffgas, nur von dem ersten Injektor 24 zugeführt zu werden. Wenn der Ausgangsstromwert groß ist, ermöglicht die Steuerung 50 dem Brennstoffgas, von sowohl dem ersten Injektor 24 als auch dem zweiten Injektor 25 zugeführt zu werden.
In 1 wird das Brennstoffabgas, das nicht in der Brennstoffzelle 10 verwendet wird, durch den Ejektor 26 rezirkuliert. Das Brennstoffzellensystem 100 kann anstelle des Ejektors 26 eine Zirkulationspumpe enthalten. Das Brennstoffzellensystem 100 kann die Zirkulationspumpe stromaufwärts vom Ejektor 26 des Zirkulationsströmungswegs 12 enthalten.
Bei der vorliegenden Erfindung werden das Brennstoffgas und das Oxidationsmittelgas gemeinsam als „Reaktionsgas“ bezeichnet. Das Reaktionsgas, das der Anode zugeführt wird, ist das Brennstoffgas, während das Reaktionsgas, das der Kathode zugeführt wird, das Oxidationsmittelgas ist. Das Brennstoffgas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, wobei es Wasserstoff sein kann. Das Oxidationsmittelgas kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder dergleichen sein.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung wird im Allgemeinen in einem Fahrzeug installiert und verwendet, das als Antriebsquelle einen Motor hat.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann in einem Fahrzeug installiert und verwendet werden, das durch den Strom einer Sekundärzelle fahren kann.
Der Motor unterliegt keinen besonderen Beschränkungen, wobei er ein allgemein bekannter Antriebsmotor sein kann.
Das Fahrzeug kann ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug sein.
Das Fahrzeug kann das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthalten.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung enthält die Brennstoffzelle.
Die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle sein, die nur aus einer Einheitsbrennstoffzelle besteht, oder sie kann ein Brennstoffzellenstapel sein, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen besteht.
Die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Zum Beispiel können zwei bis mehrere hundert Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden, oder es können 2 bis 300 Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann an beiden Stapelrichtungsenden jeder Einheitsbrennstoffzelle eine Endplatte enthalten.
Jede Einheitsbrennstoffzelle enthält zumindest eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit.
Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit enthält eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
Die Kathode (Oxidationsmittelelektrode) umfasst die Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden gemeinsam als „Katalysatorschicht“ bezeichnet. Beispiele für den Anodenkatalysator und den Kathodenkatalysator schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) ein. Beispiele für ein Katalysatorträgermaterial und ein leitendes Material schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein kohlenstoffhaltiges Material wie Kohle ein.
Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden gemeinsam als „Gasdiffusionsschicht“ bezeichnet.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein.
Beispiele für das elektrisch leitende Element schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial wie ein Kohletuch und Kohlepapier und ein poröses Metallmaterial wie Metallgewebe und Metallschaum ein.
Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für die Festpolymerelektrolytmembran schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoffelektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran wie eine dünne, feuchtigkeitshaltige Perfluorsulfonsäuremembran ein. Die Elektrolytmembran kann zum Beispiel eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont Co., Ltd.) sein.
Bei Bedarf kann jede Einheitsbrennstoffzelle zwei Separatoren enthalten, die beide Seiten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit bedecken. Einer der zwei Separatoren ist ein anodenseitiger Separator, während der andere ein kathodenseitiger Separator ist. Bei der vorliegenden Erfindung werden der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator gemeinsam als „Separator“ bezeichnet.
Der Separator kann Zuführungs- und Ableitungslöcher enthalten, um dem Reaktionsgas und dem Kühlmittel zu ermöglichen, in der Stapelrichtung der Einheitsbrennstoffzellen zu strömen. Als das Kühlmittel kann zum Beispiel eine Mischlösung aus Ethylenglycol und Wasser verwendet werden, um das Gefrieren bei niedriger Temperatur zu verhindern.
Beispiele für das Zuführungsloch schließen, ohne darauf begrenzt zu sein, ein Brennstoffgaszuführungsloch, ein Oxidationsmittelgaszuführungsloch und ein Kühlmittelzuführungsloch ein.
Beispiele für das Ableitungsloch schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Brennstoffgasableitungsloch, ein Oxidationsmittelgasableitungsloch und ein Kühlmittelableitungsloch ein.
Der Separator kann ein oder mehr Brennstoffgaszuführungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgaszuführungslöcher, ein oder mehr Kühlmittelzuführungslöcher, ein oder mehr Brennstoffgasableitungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgasableitungslöcher und ein oder mehr Kühlmittelableitungslöcher enthalten.
Der Separator kann auf einer mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Reaktionsmittelgasströmungsweg aufweisen. Außerdem kann der Separator auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
Wenn der Separator der anodenseitige Separator ist, kann er ein oder mehr Brennstoffgaszuführungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgaszuführungslöcher, ein oder mehr Kühlmittelzuführungslöcher, ein oder mehr Brennstoffgasableitungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgasableitungslöcher und ein oder mehr Kühlmittelableitungslöcher enthalten. Der anodenseitige Separator kann auf der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Brennstoffgasströmungsweg aufweisen, um dem Brennstoffgas zu ermöglichen, vom Brennstoffgaszuführungsloch zum Brennstoffgasableitungsloch zu strömen. Der anodenseitige Separator kann auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, vom Kühlmittelzuführungsloch zum Kühlmittelableitungsloch zu strömen.
Wenn der Separator der kathodenseitige Separator ist, kann er ein oder mehr Brennstoffgaszuführungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgaszuführungslöcher, ein oder mehr Kühlmittelzuführungslöcher, ein oder mehr Brennstoffgasableitungslöcher, ein oder mehr Oxidationsmittelgasableitungslöcher und ein oder mehr Kühlmittelableitungslöcher enthalten. Der kathodenseitige Separator kann auf der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Oxidationsmittelgasströmungsweg aufweisen, um dem Oxidationsmittelgas zu ermöglichen, vom Oxidationsmittelgaszuführungsloch zum Oxidationsmittelgasableitungsloch zu strömen. Der kathodenseitige Separator kann auf der gegenüberliegenden Oberfläche zu der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt befindlichen Oberfläche einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um dem Kühlmittel zu ermöglichen, vom Kühlmittelzuführungsloch zum Kühlmittelableitungsloch zu strömen.
Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, gasundurchlässige, dichte Kohle, die durch Kohleverdichtung erzielt wird, und eine Metallplatte (etwa eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte) ein, die durch Pressformen erzielt wird. Der Separator kann als ein Kollektor fungieren.
Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler enthalten, etwa einen Einlassverteiler, der zwischen den Zuführungslöchern kommuniziert, und einen Auslassverteiler, der zwischen den Ableitungslöchern kommuniziert.
Beispiele für den Einlassverteiler schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Anodeneinlassverteiler, einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kühlmitteleinlassverteiler ein.
Beispiele für den Auslassverteiler schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Anodenauslassverteiler, einen Kathodenauslassverteiler und einen Kühlmittelauslassverteiler ein.
Das Brennstoffzellensystem enthält als das Brennstoffgassystem der Brennstoffzelle den Brennstoffgaszuführer, den Brennstoffgaszuführungsströmungsweg, den Zirkulationsströmungsweg, den Ejektor, den Injektorsatz, den Gas-Flüssigkeitsabscheider, den Brennstoffabgasableitungsströmungsweg, die Steuerung, den Stromsensor und den Drucksensor.
Der Brennstoffgaszuführer führt das Brennstoffgas der Brennstoffzelle zu. Genauer gesagt führt der Brennstoffgaszuführer das Brennstoffgas der Anode der Brennstoffzelle zu.
Beispiele für den Brennstoffgaszuführer schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Brennstofftank wie einen Flüssigwasserstofftank und einen Druckwasserstofftank ein.
Der Brennstoffgaszuführer ist elektrisch mit der Steuerung verbunden. In dem Brennstoffgaszuführer kann das AN/AUS der Brennstoffgaszufuhr zur Brennstoffzelle gesteuert werden, indem gemäß einem Steuersignal von der Steuerung das Öffnen und Schließen des Hauptsperrventils des Brennstoffgaszuführers gesteuert wird.
Der Zirkulationsströmungsweg verbindet den Brennstoffgasauslass des Brennstoffgases und den Brennstoffgaseinlass des Brennstoffgases.
Der Zirkulationsströmungsweg erlaubt dem Brennstoffabgas, das das aus dem Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle abgeleitete Brennstoffgas ist, als das Zirkulationsgas zum Brennstoffgaseinlass des Brennstoffgases rückgeführt und zirkuliert zu werden. Der Brennstoffgaseinlass kann das Brennstoffgaszuführungsloch, der Anodeneinlassverteiler oder dergleichen sein.
In dem Zirkulationsströmungsweg ist der Ejektor angeordnet.
Der Ejektor kann auf dem Zirkulationsströmungsweg zum Beispiel an einer Verbindungsstelle mit dem Brennstoffgaszuführungsströmungsweg angeordnet sein. Der Ejektor führt der Anode der Brennstoffzelle ein Mischgas zu, das das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas enthält. Als der Ejektor kann ein allgemein bekannter Ejektor verwendet werden.
Die Zirkulationspumpe kann stromaufwärts vom Ejektor des Zirkulationsströmungswegs angeordnet sein. Die Zirkulationspumpe kann anstelle des Ejektors an der Verbindungsstelle mit dem Brennstoffgaszuführungsströmungsweg des Zirkulationsströmungswegs angeordnet sein. Die Zirkulationspumpe kann einen Anstoß liefern, um das Brennstoffabgas als das Zirkulationsgas zu zirkulieren. Die Zirkulationspumpe kann elektrisch mit der Steuerung verbunden sein, wobei der Durchsatz des Zirkulationsgases gesteuert werden kann, indem durch die Steuerung das An-/Ausschalten, die Drehzahl, usw. der Zirkulationspumpe gesteuert wird.
Der Brennstoffgaszuführungsströmungsweg verbindet den Ejektor und den Brennstoffgaszuführer. Der Brennstoffgaszuführungsströmungsweg ermöglicht dem Brennstoffgas, dem Ejektor zugeführt zu werden.
Der Injektorsatz ist stromaufwärts vom Ejektor des Brennstoffgaszuführungsströmungswegs angeordnet.
Der Injektorsatz umfasst parallel den ersten Injektor und den zweiten Injektor.
Die pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors ist kleiner als die des ersten Injektors. Als der erste Injektor und der zweite Injektor können passend allgemein bekannte Injektoren eingesetzt werden.
Das Druckregelventil kann stromaufwärts vom Injektorsatz des Brennstoffgaszuführungsströmungswegs angeordnet sein. Das Druckregelventil ist elektrisch mit der Steuerung verbunden, um den Druck zu reduzieren, der auf den ersten Injektor und den zweiten Injektor aufgebracht wird.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider (Anodengas-Flüssigkeitsabscheider) ist stromaufwärts vom Ejektor des Zirkulationsströmungswegs angeordnet.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider kann an dem Abzweigungspunkt des Brennstoffabgasableitungsströmungswegs und des Zirkulationsströmungswegs angeordnet sein.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider kann stromaufwärts vom Lüftungs- und Ableitungsventil des Brennstoffabgasableitungsströmungswegs angeordnet sein.
Der Gas-Flüssigkeitsabscheider scheidet das Wasser und Brennstoffgas ab, die in dem Brennstoffabgas enthalten sind, das das aus dem Brennstoffgasauslass abgeleitete Brennstoffgas ist. Dementsprechend kann das Brennstoffgas als das Zirkulationsgas zum Zirkulationsströmungsweg rückgeführt werden oder unnötiges Gas, Wasser und dergleichen kann zur Außenseite abgeleitet werden, indem das Lüftungs- und Ableitungsventil des Brennstoffabgasableitungsströmungswegs geöffnet wird. Außerdem kann der Gas-Flüssigkeitsabscheider den Strom überschüssigen Wassers in den Zirkulationsströmungsweg unterdrücken. Dementsprechend kann das Gefrieren der Zirkulationspumpe oder dergleichen aufgrund des Wassers unterdrückt werden.
Der Brennstoffabgasableitungsströmungsweg zweigt über den Gas-Flüssigkeitsabscheider vom Zirkulationsströmungsweg ab.
Der Brennstoffabgasableitungsströmungsweg ermöglicht dem Brennstoffabgas, das aus dem Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle abgeleitet wird, zur Außenseite des Brennstoffzellensystems abgeleitet zu werden. Der Brennstoffgasauslass kann das Brennstoffgasableitungsloch, der Anodenauslassverteiler oder dergleichen sein.
Das Lüftungs- und Ableitungsventil (das Brennstoffabgasableitungsventil) kann in dem Brennstoffabgasableitungsströmungsweg angeordnet sein. Das Lüftungs- und Ableitungsventil ist in dem Brennstoffabgasableitungsströmungsweg stromabwärts vom Gas-Flüssigkeitsabscheider angeordnet.
Das Lüftungs- und Ableitungsventil ermöglicht dem Brennstoffabgas, Wasser und dergleichen zur Außenseite (des Systems) abgeleitet zu werden. Die Außenseite kann die Außenseite des Brennstoffzellensystems sein oder sie kann die Außenseite des Fahrzeugs sein.
Das Lüftungs- und Ableitungsventil kann elektrisch mit der Steuerung verbunden sein, wobei der Durchsatz des Brennstoffabgases, das zur Außenseite abgeleitet wird, gesteuert werden kann, indem von der Steuerung das Öffnen und Schließen des Lüftungs- und Ableitungsventils gesteuert wird. Indem der Öffnungsgrad des Lüftungs- und Ableitungsventils gesteuert wird, kann der Druck des Brennstoffgases (Anodendruck) gesteuert werden, das der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Das Brennstoffabgas kann das Brennstoffgas, das durch die Anode gegangen ist, ohne zu reagieren, und das Wasser, das an der Kathode erzeugt wird und der Anode zugeführt wird, enthalten. In einigen Fällen enthält das Brennstoffabgas korrodierte Substanzen, die in der Katalysatorschicht, der Elektrolytmembran oder dergleichen erzeugt wurden, und das Oxidationsmittelgas oder dergleichen, dem während einer Spülung ermöglicht wurde, der Anode zugeführt zu werden.
Der Stromsensor erfasst den Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle. Der Stromsensor ist elektrisch mit der Steuerung verbunden, um den erfassten Ausgangstromwert der Brennstoffzelle zur Steuerung zu senden.
Als der Stromsensor kann ein allgemein bekanntes Amperemeter oder dergleichen verwendet werden.
Der Drucksensor ist in dem Zirkulationsströmungsweg angeordnet. Unter dem Gesichtspunkt, die Erfassungsgenauigkeit zu erhöhen, kann der Drucksensor in einem Bereich zwischen dem Ejektor und der Brennstoffzelle angeordnet werden, der stromabwärts vom Ejektor des Zirkulationsströmungswegs liegt.
Der Drucksensor erfasst den Druck des Brennstoffgases. Der Drucksensor ist elektrisch mit der Steuerung verbunden und sendet den erfassten Druck des Brennstoffgases zur Steuerung.
Als der Drucksensor kann ein allgemein bekannter Druckmesser oder dergleichen verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem kann als das Oxidationsmittelgassystem der Brennstoffzelle einen Oxidationsmittelgaszuführer, einen Oxidationsmittelgaszuführungsströmungsweg und einen Oxidationsmittelabgasableitungsströmungsweg enthalten.
Der Oxidationsmittelgaszuführer führt das Oxidationsmittelgas der Brennstoffzelle zu. Genauer gesagt führt der Oxidationsmittelgaszuführer das Oxidationsmittelgas der Kathode der Brennstoffzelle zu.
Als der Oxidationsmittelgaszuführer kann zum Beispiel ein Luftverdichter verwendet werden.
Oxidationsmittelgaszuführer ist elektrisch mit der Steuerung verbunden. Der Oxidationsmittelgaszuführer wird entsprechend einem Steuersignal von der Steuerung angetrieben. Durch die Steuerung kann zumindest eines gesteuert werden, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus dem Durchsatz und dem Druck des Oxidationsmittelgases besteht, das aus dem Oxidationsmittelgaszuführer der Kathode zugeführt wird.
Der Oxidationsmittelgaszuführungsströmungsweg verbindet den Oxidationsmittelgaszuführer und den Oxidationsmittelgaseinlass der Brennstoffzelle. Der Oxidationsmittelgaszuführungsströmungsweg ermöglicht dem Oxidationsmittelgas, vom Oxidationsmittelgaszuführer der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt zu werden. Der Oxidationsmittelgaseinlass kann das Oxidationsmittelgaszuführungsloch, der Kathodeneinlassverteiler oder dergleichen sein.
Der Oxidationsmittelabgasableitungsströmungsweg ist mit dem Oxidationsmittelgasauslass der Brennstoffzelle verbunden. Der Oxidationsmittelabgasableitungsströmungsweg ermöglicht dem Oxidationsmittelabgas, das das aus der Kathode der Brennstoffzelle abgeleitete Oxidationsmittelgas ist, zur Außenseite abgeleitet zu werden. Der Oxidationsmittelgasauslass kann das Oxidationsmittelgasableitungsloch, der Kathodenauslassverteiler oder dergleichen sein.
Der Oxidationsmittelabgasableitungsströmungsweg kann mit einem Oxidationsmittelgasdruckregelventil versehen sein.
Das Oxidationsmittelgasdruckregelventil ist elektrisch mit der Steuerung verbunden. Indem durch die Steuerung das Oxidationsmittelgasdruckregelventil geöffnet wird, wird das Oxidationsmittelabgas, das das reagierte Oxidationsmittelgas ist, aus dem Oxidationsmittelabgasableitungsströmungsweg zur Außenseite abgeleitet. Der Druck des Oxidationsmittelgases (Kathodendruck), das der Kathode zugeführt wird, kann gesteuert werden, indem der Öffnungsgrad des Oxidationsmittelgasdruckregelventils gesteuert wird.
Das Brennstoffzellensystem kann als das Kühlsystem der Brennstoffzelle einen Kühlmittelzuführer und einen Kühlmittelzirkulationsströmungsweg enthalten.
Der Kühlmittelzirkulationsströmungsweg kommuniziert zwischen den in der Brennstoffzelle vorgesehenen Kühlmittelzufuhr- und -ableitungslöchern und ermöglicht dem aus dem Kühlmittelzuführer zugeführten Kühlmittel, innerhalb und außerhalb der Brennstoffzelle zirkuliert zu werden.
Der Kühlmittelzuführer ist elektrisch mit der Steuerung verbunden. Der Kühlmittelzuführer wird entsprechend einem Steuersignal von der Steuerung angetrieben. Durch die Steuerung wird der Durchsatz des Kühlmittels gesteuert, das vom Kühlmittelzuführer zur Brennstoffzelle zugeführt wird. Dadurch kann die Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert werden.
Beispiele für den Kühlmittelzuführer schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Kühlwasserpumpe ein.
Der Kühlmittelzirkulationsströmungsweg kann mit einem Kühler zur Wärmeabgabe aus dem Kühlwasser versehen sein.
Der Kühlmittelzirkulationsströmungsweg kann mit einem Reservetank zum Speichern des Kühlmittels versehen sein.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Sekundärzelle enthalten.
Die Sekundärzelle (Batterie) kann eine beliebige ladbare und entladbare Zelle sein. Zum Beispiel kann die Sekundärzelle eine allgemein bekannte Sekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärzelle und eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle sein. Die Sekundärzelle kann ein Stromspeicherelement wie einen elektrischen Doppelschichtkondensator einschließen. Die Sekundärzelle kann einen derartigen Aufbau haben, dass eine Vielzahl von Sekundärzellen in Reihe verbunden sind. Die Sekundärzelle führt dem Motor, dem Oxidationsmittelgaszuführer und dergleichen Strom zu. Die Sekundärzelle kann durch eine Stromquelle außerhalb des Fahrzeugs, etwa eine Hausstromquelle, wiederaufgeladen werden. Die Sekundärzelle kann durch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle geladen werden. Das Laden und Entladen der Sekundärzelle kann von der Steuerung gesteuert werden.
Die Steuerung weist physikalisch einen Prozessor wie eine Zentraleinheit (CPU), eine Speichervorrichtung wie einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) sowie eine Eingangs-Ausgangsschnittstelle auf. Der ROM wird verwendet, um ein Steuerprogramm, Steuerdaten usw. zu speichern, die von der CPU verarbeitet werden, während der RAM hauptsächlich für verschiedene Arbeitsräume zur Steuerverarbeitung verwendet wird. Die Steuerung kann ein Steuergerät wie ein elektronisches Steuergerät (ECU) sein.
Die Steuerung kann elektrisch mit einem Zündschalter verbunden sein, der in dem Fahrzeug eingebaut sein kann. Die Steuerung kann durch eine externe Stromversorgung auch dann betriebsfähig sein, wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist.
Entsprechend dem Ausgangsstromwert wird die Einschaltdauer von mindestens einem aus der aus dem ersten Injektor und dem zweiten Injektor bestehenden Gruppe ausgewählten Injektor gesteuert, um den Brennstoffgasdruck zur Brennstoffzelle innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu halten.
Die Steuerung bestimmt, ob der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist oder nicht.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, treibt die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an und die Steuerung treibt den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an, um das Ventil des zweiten Injektors zumindest dann zu öffnen, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
Bei der periodischen Steuerung des Öffnens und Schließens des Injektorventils wird eine Zeitdauer, die beginnt, wenn das Injektorventil geöffnet wird, und die endet, wenn das Injektorventil geschlossen und dann erneut geöffnet wird, als eine Periode festgelegt. Die Einschaltdauer des Injektors meint das Verhältnis einer Zeitdauer, in der das Ventil geöffnet ist, bezüglich der Zeit der einen Periode.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet die Einschaltdauersteuerung, dass die Einschaltdauer auf einen Wert von mehr als 0% und weniger als 100% gesteuert wird. Wenn die Einschaltdauer 0% beträgt, ist dies ein Zustand, in dem die Einschaltdauer nicht gesteuert wird, da es keinen Ansteuerungsbefehl von der Steuerung gibt und das Injektorventil geschlossen ist. Wenn die Einschaltdauer 100% beträgt, ist dies ein Zustand, bei dem die Einschaltdauer nicht gesteuert wird, da das Injektorventil ständig geöffnet ist und angetrieben wird. Die gesteuerte Einschaltdauer unterliegt keinen besonderen Beschränkungen und wird passend entsprechend dem Ausgangsstromwert festgelegt, solange der Brennstoffgasdruck zur Brennstoffzelle innerhalb des vorbestimmten Bereichs gehalten wird und mehr als 0% und weniger als 100% beträgt. Indem der durch den Drucksensor erfasste Wert des Brennstoffgasdrucks überwacht wird, kann die Steuerung die Einschaltdauer so steuern, dass der Brennstoffgasdruck innerhalb des vorbestimmten Bereichs gehalten wird.
Der vorbestimmte erste Schwellenwert des Ausgangsstromwerts kann zum Beispiel der Ausgangstromwert der Brennstoffzelle während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem hohen Laststrom sein. Der spezifische Ausgangsstromwert kann passend entsprechend dem Leistungsvermögen der Brennstoffzelle festgelegt werden.
Beruhend auf einer empirischen Regel kann die Untergrenze des Brennstoffgasdrucks innerhalb des vorbestimmten Bereichs passend auf einen Druck eingestellt werden, bei dem es weniger wahrscheinlich ist, dass ein teilweiser Brennstoffgasmangel auftritt. Beruhend auf einer empirischen Regel kann die Obergrenze des Brennstoffgasdrucks innerhalb des vorbestimmten Bereichs passend auf einen Druck eingestellt werden, bei dem es weniger wahrscheinlich ist, dass eine Verschlechterung der Elektrolytmembran auftritt.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, kann die Steuerung als ein erstes Ausführungsbeispiel den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben und die Steuerung kann den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben, um das Ventil des zweiten Injektors gleichzeitig mit dem Schließen des Ventils des ersten Injektors zu öffnen und um das Ventil des zweiten Injektors gleichzeitig mit dem Öffnen des Ventils des ersten Injektors zu schließen.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, kann die Steuerung als ein zweites Ausführungsbeispiel den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben und die Steuerung kann den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben, um das Ventil des zweiten Injektors zu öffnen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geschlossen wurde, und um das Ventil des zweiten Injektors zu schließen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geöffnet wurde.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, kann die Steuerung als ein drittes Ausführungsbeispiel den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben und die Steuerung kann das Ventil des zweiten Injektors so steuern, dass es ständig geöffnet ist (Einschaltdauer 100%).
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert ist, kann die Steuerung bestimmen, ob der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, kann die Steuerung das Ventil des ersten Injektors ständig schließen und die Steuerung kann den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben. Dementsprechend wird die Brennstoffeffizienz erhöht.
Wenn die Steuerung dagegen bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert ist, kann die Steuerung das Ventil des zweiten Injektors ständig schließen und die Steuerung kann den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreiben. Dementsprechend kann während zum Beispiel dem normalen Betrieb der Brennstoffzelle das Brennstoffgas der Brennstoffzelle nur durch den ersten Injektor zugeführt werden.
Der vorbestimmte zweite Schwellenwert des Ausgangsstromwerts kann zum Beispiel der Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle während des Strombetriebs der Brennstoffzelle bei einem mittleren Laststrom sein. Der spezifische Ausgangsstromwert kann passend entsprechend dem Leistungsvermögen der Brennstoffzelle festgelegt werden. Das heißt, dass während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem mittleren Laststrom der zweite Injektor angehalten wird (das Ventil des zweiten Injektors ist ständig geschlossen, Einschaltdauer 0%) und dass das Brennstoffgas periodisch aus dem ersten Injektor injiziert wird (Einschaltdauersteuerung). Während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem kleineren Strom als dem mittleren Laststrom wird der erste Injektor angehalten (das Ventil des ersten Injektors ist ständig geschlossen, Einschaltdauer 0%) und das Brennstoffgas wird periodisch aus dem zweiten Injektor injiziert (Einschaltdauersteuerung).
2 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem konstanten mittleren Laststrom darstellt.
Da die Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem konstanten Laststrom erfolgt, wird in der Brennstoffzelle eine bestimmte Menge an Brennstoffgas pro Zeiteinheit verbraucht. Wenn der Druck P im Zirkulationsströmungsweg die Untergrenze PL erreicht, öffnet die Steuerung (ECU) das Ventil des ersten Injektors. Die Menge des Brennstoffgases, die durch den ersten Injektor injiziert wird, wenn das Ventil des ersten Injektors geöffnet ist, ist größer als die Menge des Brennstoffgases, die durch die Brennstoffzelle verbraucht wird. Während das Ventil des ersten Injektors geöffnet ist, nimmt dementsprechend der Druck P im Zirkulationsströmungsweg zu. Wenn der Druck P im Zirkulationsströmungsweg die Obergrenze PU erreicht, schließt die ECU das Ventil des ersten Injektors. Während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist, nimmt der Druck P im Zirkulationsströmungsweg ab, weil das Brennstoffgas durch die Stromerzeugung der Brennstoffzelle verbraucht wird. Indem dieser Prozess wiederholt wird, wird der Druck P im Zirkulationsströmungsweg innerhalb des Bereichs von der Untergrenze PL oder mehr zu der Obergrenze PU oder weniger gehalten.
3 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle des Stands der Technik bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt.
Da die Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem konstanten hohen Laststrom erfolgt, ist die Menge des Brennstoffgases, die pro Zeiteinheit in der Brennstoffzelle verbraucht wird, größer als bei einer mittleren Last. Andererseits steuert der erste Injektor durch die Ventilöffnungszeit die injizierte Brennstoffgasmenge, wobei die Menge des pro Zeiteinheit injizierten Brennstoffgases konstant ist, während das Injektionsventil geöffnet ist. Dementsprechend nimmt der Gradient des Druckanstiegs ab, während das Ventil des ersten Injektors geöffnet ist, und der Gradient des Druckabfalls nimmt zu, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
Das Ventil des ersten Injektors wird erneut geöffnet, wenn der Druck P im Zirkulationsströmungsweg die Untergrenze PL erreicht. Wenn der Gradient des Druckabfalls groß ist, ist es wahrscheinlich, dass der Druck P im Zirkulationsströmungsweg aufgrund einer Verzögerung im Ansprechen des ersten Injektors, einer Verzögerung beim Signal des Drucksensors, Schwankungen bei den erfassten Werten usw. unter den unteren Grenzwert PL fällt.
- Erstes Ausführungsbeispiel -
4 ist ein Schaubild, das ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Ventil des zweiten Injektors geöffnet, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen wird, wodurch das Brennstoffgas der Brennstoffzelle zugeführt wird. Dementsprechend wird der Gradient des Druckabfalls reduziert, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
Die pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors ist kleiner als die Menge des Brennstoffs, die durch die Brennstoffzelle bei einer hohen Last verbraucht wird. Auch während der Zeitdauer, in der das Ventil des zweiten Injektors geöffnet ist, um das Brennstoffgas zu injizieren, nimmt dementsprechend der Druck P im Zirkulationsströmungsweg allmählich ab. Das heißt, dass die Druckabnahmegeschwindigkeit verglichen mit dem in 3 gezeigten Vergleichsbeispiel sanft ist, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
Dementsprechend ist es weniger wahrscheinlich, dass der Druck im Zirkulationsströmungsweg unter die Untergrenze PL fällt, wobei das Auftreten eines teilweisen Brennstoffgasmangels und die Verschlechterung des Katalysators innerhalb der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
- Zweites Ausführungsbeispiel -
5 ist ein Schaubild, das ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt.
Im ersten Ausführungsbeispiel stimmt der Zeitpunkt zum Öffnen des Ventils des zweiten Injektors mit dem Zeitpunkt zum Schließen des Ventils des ersten Injektors überein; doch können diese auch verschieden sein.
Gemäß der in 5 gezeigten Zeittafel ist das Ventil des zweiten Injektors auch im zweiten Ausführungsbeispiel geöffnet, bis das Ventil des ersten Injektors geöffnet wird, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen wird. Allerdings wird das Ventil des zweiten Injektors geöffnet, nachdem das Ventil des ersten Injektors geschlossen wurde, und das Ventil des zweiten Injektors wird geschlossen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geöffnet wurde.
Bei dem Versuch, das Öffnen und Schließen des Ventils so zu steuern, dass der Zeitpunkt zum Öffnen des Ventils des ersten Injektors und der Zeitpunkt zum Schließen des Ventils des zweiten Injektors wie im ersten Ausführungsbeispiel gleich werden, kann es, falls die Verzögerung beim Ansprechen des ersten Injektors größer als die Verzögerung beim Ansprechen des zweiten Injektors ist, eine Zeitdauer geben, in der der Druck P im Zirkulationsströmungsweg nahe an der Untergrenze liegt und beide Ventile geschlossen sind. Dementsprechend kann der Gradient des Druckabfalls zunehmen. Falls die ECU wie im zweiten Ausführungsbeispiel das Ventil des zweiten Injektors schließt, nachdem sie bestätigt hat, dass das Ventil des ersten Injektors geöffnet ist, wird ein Anstieg des Gradienten des Druckabfalls unterdrückt.
Es gibt auch eine Zeitdauer, in der, unmittelbar nachdem das Ventil des ersten Injektors geschlossen wurde, auch das Ventil des zweiten Injektors geschlossen ist und der Gradient des Drucks P im Zirkulationsströmungsweg zunimmt. Da der Druck P jedoch ausreichend von der Untergrenze PL entfernt ist, besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass der Druck P unter die Untergrenze PL fällt und dass die Brennstoffzelle einen Brennstoffgasmangel verursacht. Falls der Zustand, in dem der Druck zu hoch ist, länger andauert, kann außerdem die Elektrolytmembran beschädigt werden. Da im zweiten Ausführungsbeispiel jedoch der Druck auf einmal und dann langsam abfällt, kann der Zustand, in dem der Druck zu hoch ist, rasch beseitigt werden und es wird die Beschädigung der Elektrolytmembran unterdrückt.
- Drittes Ausführungsbeispiel -
6 ist ein Schaubild, das ein weiteres Beispiel für den Zusammenhang zwischen dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des ersten Injektors, dem Ventilöffnungs-/-schließzustand des zweiten Injektors und dem Druck P im Zirkulationsströmungsweg während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung bei einem konstanten hohen Laststrom darstellt.
Im dritten Ausführungsbeispiel ist während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle bei einem hohen Laststrom das Ventil des zweiten Injektors ungeachtet des Ventilöffnungszustands des ersten Injektors ständig geöffnet. Im dritten Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffeffizienz verglichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel und dem zweiten Ausführungsbeispiel schlecht. Allerdings wird auch im Fall des dritten Ausführungsbeispiels eine rasche Abnahme des Drucks P im Zirkulationsströmungsweg unterdrückt, während das Ventil des ersten Injektors geöffnet und geschlossen wird, indem das Brennstoffgas durch das Öffnen des Ventils des zweiten Injektors zugeführt wird, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung eines Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung darstellt.
Die Steuerung erfasst den Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle, der durch den Stromsensor erfasst wurde.
Die Steuerung bestimmt, ob der erfasste Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist oder nicht.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, treibt die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an und die Steuerung treibt den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an, um das Ventil des zweiten Injektors zumindest dann zu öffnen, während das Ventil des ersten Injektors geschlossen ist. Dann beendet die Steuerung die Steuerung.
Wenn die Steuerung andererseits bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert ist, bestimmt die Steuerung, ob der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist.
Wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, schließt die Steuerung das Ventil des ersten Injektors ständig und die Steuerung treibt den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an. Dann beendet die Steuerung die Steuerung.
Wenn die Steuerung andererseits bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert ist, schließt die Steuerung das Ventil des zweiten Injektors ständig und die Steuerung treibt den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung an. Dann beendet die Steuerung die Steuerung.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle (Stapel)
11: Brennstoffgaszuführungsströmungsweg
12: Zirkulationsströmungsweg
13: Brennstoffabgasableitungsströmungsweg
21: Brennstoffgaszuführer (Wasserstofftank)
22: Hauptabsperrventil
23: Druckregelventil
24: Erster Injektor
25: Zweiter Injektor
26: Ejektor
27: Gas-Flüssigkeitsabscheider
28: Lüftungs- und Ableitungsventil
29: Drucksensor
30: Stromsensor
40: Steuerung (ECU)
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 2011179333 A [0009, 0013]
JP 2020123458 A [0010]
JP 2019169264 A [0011]
JP 2014123555 A [0012]

Claims

Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle, einen Stromsensor zum Erfassen eines Ausgangsstromwerts der Brennstoffzelle, einen Brennstoffgaszuführer zum Zuführen von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle, einen Zirkulationsströmungsweg, der einen Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle und einen Brennstoffgaseinlass der Brennstoffzelle verbindet, um Brennstoffabgas, das aus dem Brennstoffgasauslass der Brennstoffzelle abgeleitet wird, zu ermöglichen, als Zirkulationsgas zum Brennstoffgaseinlass der Brennstoffzelle rückgeführt und zirkuliert zu werden, einen Ejektor, der in dem Zirkulationsströmungsweg angeordnet ist, einen Brennstoffgaszuführungsströmungsweg, der den Brennstoffgaszuführer und den Ejektor verbindet, einen Injektorsatz, der stromaufwärts vom Ejektor des Brennstoffgaszuführungsströmungswegs angeordnet ist, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider, der stromaufwärts vom Ejektor des Zirkulationsströmungswegs angeordnet ist, einen Brennstoffabgasableitungsströmungsweg, der vom Gas-Flüssigkeitsabscheider des Zirkulationsströmungswegs abzweigt, um dem Brennstoffabgas zu ermöglichen, zur Außenseite des Brennstoffzellensystems abgeleitet zu werden, einen Drucksensor, der im Zirkulationsströmungsweg angeordnet ist, und eine Steuerung, wobei der Injektionssatz parallel einen ersten Injektor und einen zweiten Injektor umfasst; wobei eine pro Zeiteinheit injizierte Brennstoffgasmenge des zweiten Injektors kleiner als die des ersten Injektors ist; wobei mindestens ein aus der aus dem ersten Injektor und dem zweiten Injektor bestehenden Gruppe ausgewählter Injektor entsprechend dem Ausgangsstromwert durch Einschaltdauersteuerung angetrieben wird, um einen Brennstoffgasdruck zur Brennstoffzelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten; wobei die Steuerung bestimmt, ob der Ausgangsstromwert größer als ein vorbestimmter erster Schwellenwert ist oder nicht; und wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt und die Steuerung den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt, um ein Ventil des zweiten Injektors zumindest dann zu öffnen, während ein Ventil des ersten Injektors geschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt und die Steuerung den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt, um das Ventil des zweiten Injektors zu öffnen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geschlossen wurde, und um das Ventil des zweiten Injektors zu schließen, nachdem das Ventil des ersten Injektors geöffnet wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist, die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt und die Steuerung das Ventil des zweiten Injektors so steuert, dass es ständig geöffnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert ist, die Steuerung bestimmt, ob der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert ist; wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert kleiner oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert ist, die Steuerung das Ventil des ersten Injektors ständig schließt und die Steuerung den zweiten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt; und wobei, wenn die Steuerung bestimmt, dass der Ausgangsstromwert größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert ist, die Steuerung das Ventil des zweiten Injektors ständig schließt und die Steuerung den ersten Injektor durch Einschaltdauersteuerung antreibt.