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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und stellt
insbesondere eine Konstruktion für
eine Umlaufroute bereit, die sich für die Erfassung eines Gasaustritts
und dergleichen eignet.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Um
die Steuerbarkeit des Differentialdrucks zwischen den Elektroden
in einem Brennstoffzellensystem zu verbessern, wird herkömmlicherweise Luftdruck
als Signaldruck zu einem Druckregulierungsventil geliefert. Beispielsweise
offenbart die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-68334 eine
Umlaufroute, in der der Druck eines Wasserstoffgases gesenkt wird
und dieser Wasserstoff der Anode der Brennstoffzelle über die
Wasserstoffgas-Zufuhrleitung zugeführt wird, und das abströmende Wasserstoffgas,
das die Brennstoffzelle verlässt,
von der Wasserstoffpumpe verdichtet und danach in die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
stromabwärts
vom Druckregulierungsventil zurückgeführt wird.
In diesem System nimmt das Druckregulierungsventil in der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
den Luftdruck, der von einem Kompressor, der die Luft zur Kathode
liefert, erhöht
wird, als Signaldruck und reguliert damit den Ventilöffnungsgrad.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Stand der Technik wird eine Wasserstoffpumpe oder ein Ejektor verwendet,
um das abströmende
Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle in die Wasserstoffgas-Zufuhrleitung zurückzuführen. Wenn beispielsweise
eine Wasserstoffpumpe verwendet wird, enthält der Auslassdruck manchmal
eine Schwankungs-(Pulsations-)Komponente, die vom Aufbau der Pumpe
abhängt.
Aufgrund des Vorhandenseins der Komponenten (beispielsweise des
Ventilteils, des Sensors), die mit der Struktur oder den Leitungen
der Umlaufroute verbunden sind, kommt es außerdem manchmal zu Druckschwankungen (Pulsationen)
in der Umlaufroute. Aus diesem Grund wird bei der herkömmlichen
Technik der Wasserstoff-Zufuhrdruck, der im Druckregulierungsventil
gesenkt wird, von der Druckschwankung des zurückgeführten Wasserstoffgases beeinflusst,
wenn das zurückgeführte Wasserstoffgas
aus der Umlaufroute mit dem Wasserstoffgas strömen gelassen wird. Infolgedessen
schwankt der Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle
zugeführt
wird, wodurch die Steuerung der Leistungserzeugung instabil wird.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung
eines Brennstoffzellensystems, das in der Lage ist, den Zufuhrdruck
von Brenngas, das der Brennstoffzelle zugeführt ist, exakt zu steuern.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
weist die vorliegende Erfindung folgendes auf: eine Brenngas-Zufuhrleitung,
die Brenngas von einer Brenngas-Zufuhrquelle zur Brennstoffzelle
liefert; ein Druckregulierungsmittel, das in der Brenngas-Zufuhrleitung
vorgesehen ist und das den Druck des Brenngases, das von der Brenngas-Zufuhrquelle
geliefert wird, regelt, und eine Umlaufroute, die das Brenngas,
das die Brennstoffzelle verlässt,
zur Brenngas-Zufuhrleitung zurückführt, wobei
die Umlaufroute so mit der Brenngas-Zufuhrleitung verbunden ist,
dass das Brenngas stromaufwärts
vom Druckregulierungsmittel in diese zurückgeführt wird.
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Entsprechend
dem obigen Aufbau wird zwar das Brenngas, das die Brennstoffzelle
verlässt, über die
Umlaufroute in die Brenngas-Zufuhrleitung zurückgeführt, aber die Umlaufroute ist
stromaufwärts vom
Druckregulierungsmittel angeschlossen. Auch wenn es zu einer Druckschwankung
(Pulsation) in der Umlaufroute kommt, stabilisiert das Druckregulierungsmittel
den stromabwärtigen
Druck, wodurch es nicht mehr zu kleineren Schwankungen im Druck
des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, kommt.
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Hierbei
unterliegt die „Brenngas-Zufuhrquelle" keiner Beschränkung, daher
beinhalten Beispiele dafür
einen Hochdruck-Wasserstofftank, einen Wasserstofftank, in dem Wasserstoff
absorbierende Legierungen verwendet werden, einen Wasserstoff-Zufuhrmechanismus,
der reformiertes Gas verwendet, einen Flüssigwasserstoff-Tank, einen
Flüssiggastank und
dergleichen.
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Das „Druckregulierungsmittel" unterliegt zwar
keiner Beschränkung,
aber es kann ein so genanntes Druckregulierungsventil (ein Regler)
für die Stabilisierung
des stromabwärtigen
Drucks auf den gewünschten
Druck verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders wirksam, wenn das Druckregulierungsmittel
so konstruiert ist, dass der Druck des Brenngases in der Brenngas-Zufuhrleitung
mittels des Drucks des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle
geliefert wird, geregelt werden kann. Genauer weist die vorliegende
Erfindung folgendes auf: eine Oxidationsgas-Zufuhrleitung für die Zuführung von
Oxidationsgas, das zur Kathode der Brennstoffzelle geliefert wird;
ein Oxidationsgas-Zufuhrmittel, das in der Oxidationsgas-Zufuhrleitung vorgesehen
ist und das das Oxidationsgas verdichtet und zur Kathode liefert;
ein kathodenseitiges Druckerfassungsmittel für die Erfassung des Drucks
des Oxidationsgases, das der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
ein anodenseitiges Erfassungsmittel für die Erfassung des Drucks des
Brenngases, das der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird,
und ein Steuermittel für
die Steuerung des Drucks eines Gases, das der Brennstoffzelle von der
Brenngas-Zufuhrleitung und/oder der Oxidationsgas-Zufuhrleitung
zugeführt
wird, so dass der Druckunterschied zwischen dem Oxidationsgas, der
von dem kathodenseitigen Druckerfassungsmittel erfasst wird, und
dem Brenngas, der vom anodenseitigen Druckerfassungsmittel erfasst
wird, in einen vorgegebenen Bereich kommt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner die folgenden Schritte: Erfassen
des Drucks des Oxidationsgases, das der Kathode einer Brennstoffzelle über die
Brenngas-Zufuhrleitung
zugeführt
wird; Erfassen des Drucks des Brenngases, das der Anode der Brennstoffzelle über die
Oxidationsgas-Zufuhrleitung zugeführt wird; und Steuern des Drucks
des Gases, das der Brennstoffzelle von der Brenngas-Zufuhrleitung
und/oder der Oxidationsgas-Zufuhrleitung zugeführt wird, so dass der Differentialdruck
zwischen dem erfassten Oxidationsgas und dem Brenngas in den vorgegebenen
Bereich kommt.
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Entsprechend
der oben beschriebenen Erfindung ändert das Steuermittel den
Gaszufuhrdruck in der Brenngas-Zufuhrleitung oder der Oxidationsgas-Zufuhrleitung,
so dass der Differentialdruck zwischen der Anode und der Kathode
auf den vorgegebenen Bereich beschränkt ist, somit ist es bevorzugt, da
eine Verschlechterung einer Elektrolytmembran (MEA), die in der
Brennstoffzelle bewirkt wird, oder ein Gasaustritt verhindert werden
kann.
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Insbesondere
kann, wenn das Druckregulierungsmittel den Druck des Brenngases
mittels des Drucks des Oxidationsgases steuern kann, der Druck des
Oxidationsgases den Druck des Brenngases beeinflussen. Durch Nutzung
mechanischer Wechselwirkungen, welche die Steuerung des Steuermittels unterstützen, kann
der Differentialdruck schnell eliminiert werden.
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Darüber hinaus
kann die vorliegende Erfindung so aufgebaut sein, dass das Steuermittel
das Oxidationsgas-Zufuhrmittel und/oder das Druckregulierungsmittel
so steuert, dass der Differentialdruck in den vorgegebenen Bereich
kommt. Entsprechend der obigen Konstruktion treibt oder hält das Steuermittel
das Druckmittel an und steuert die Zunahme oder Abnahme des Regulierungsumfangs
durch das Druckregulierungsmittel, wodurch der Differentialdruck
im gewünschten
Bereich gesteuert wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann ferner ein Strömungsmittel aufweisen, um das
Benngas der Umlaufroute in die Brenngas-Zufuhrleitung strömen zu lassen.
Mittels des so konstruierten Strömungsmittels
kann das Brenngas in die Brenngas-Zufuhrleitung strömen, wodurch
ein regeneratives Brennstoffzellensystem ausgebildet wird.
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Hier
ist als das „Strömungsmittel" eine Brenngaspumpe,
die in der Umlaufroute vorgesehen ist, vorstellbar. Ferner kann
das „Strömungsmittel" ein Ejektor sein,
der an der Mündungsstelle
zwischen der Brenngas-Zufuhrleitung und der Umlaufroute vorgesehen
ist.
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Das
kathodenseitige Druckerfassungsmittel kann so aufgebaut sein, dass
es den Druck des Oxidationsgases aufgrund des Antriebsumfangs des Oxidationsgas-Zufuhrmittels
schätzt
und erfasst. Ebenso kann das anodenseitige Druckerfassungsmittel
so aufgebaut sein, dass es den Druck des Brenngases aufgrund des
Antriebsumfangs des Strömungsmittels
schätzt
und erfasst.
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Genauer
kann der Druck des Oxidationsgases oder des Brenngases durch eine
Messeinrichtung wie einen Drucksensor zur direkten Erfassung des
Drucks in der Oxidationsgas-Zufuhrleitung oder der Brenngas-Zufuhrleitung
gemessen werden. Jedoch korreliert der Antriebsumfang des Oxidationsgas-Zufuhrmittels
oder des Brenngas-Zufuhrmittels (beispielsweise die Drehzahl oder
der Verbrauch an elektrischer Leistung im Fall einer Pumpe oder
eines Kompressors) mit dem Druck des Oxidationsgases oder des Brenngases,
daher kann der Druck des Oxidationsgases oder des Brenngases aufgrund
des Antriebsumfangs berechnet oder geschätzt werden.
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Hierbei
ist vorzugsweise ein Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel, das
in der Lage ist, den Druck des Oxidationsgases, das dem Druckregulierungsmittel
zugeführt
wird, unabhängig
von dem Oxidiergas auf der Kathodenseite zu steuern, vorgesehen,
wobei das Oxidationsgas-Regulierungsmittel, wenn der Druck des Brenngases
höher ist
als der Druck des Oxidationsgases und somit der Differentialdruck
zwischen diesen außerhalb
des vorgegebenen Bereichs liegt, den Druck des Oxidationsgases, das
dem Druckregulierungsmittel zugeführt wird, senkt, was zur Folge
hat, dass der Druck des Brenngases auf der Anodenseite, der vom
Druckregulierungsmittel geregelt wird, sinkt, wodurch der Differentialdruck
sinkt. Entsprechend dieser Konstruktion wird, da der Druck des Oxidationsgases,
das dem Druckregulierungsmittel zugeführt wird, vom Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel
gesenkt wird, auch der Druck des Brenngases, das der Anodenseite
zugeführt
wird, reduziert, wodurch der Differentialdruck gesenkt wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass das „Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel" ein Mittel ist,
das in der Lage ist, den Druck des Oxidationsgases, der an das Druckregulierungsmittel
angelegt wird, zu erhöhen
oder zu senken, und es sich dabei, jedoch ohne besondere Beschränkung, auch
um eine Kombination aus beispielsweise einem Ventilmittel zur Begrenzung
der Oxidationsgaszufuhr von der Kathodenseite und einem Ventilmittel
zur Senkung des Oxidationsgasdrucks, der an das Druckregulierungsmittel
angelegt wird, handeln kann.
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Wenn
der Druck des Brenngases höher
ist als der Druck des Oxidationsgases und somit der Differentialdruck
zwischen ihnen außerhalb
des vorgegebenen Bereichs liegt, erhöht das Oxidationsgas-Zufuhrmittel
außerdem
den Druck des Oxidationsgases, das der Kathodenseite zugeführt wird,
um den Differentialdruck zu senken. Entsprechend der obigen Konstruktion
kann der Differentialdruck eliminiert werden, da der relativ niedrige
Druck des Oxidationsgases steigt.
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Wenn
ein Entleerungsmittel vorhanden ist, um das Brenngas in der Umlaufroute
abzulassen, kann das Entleerungsmittel in dem Fall, in dem der Druck
des Brenngases höher
ist als der Druck des Oxidationsgases und somit der Differentialdruck
zwischen diesen außerhalb
des vorgegebenen Bereichs liegt, außerdem den Druck des Brenngases
auf der Anodenseite senken, um den Differentialdruck zu senken.
Entsprechend dieser Konstruktion kann der Differentialdruck eliminiert
werden, da der Druck des Brenngases vom Entleerungsmittel direkt
gesenkt wird.
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Darüber hinaus
kann ein Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel, das in der Lage
ist, den Druck des Oxidationsgases, das dem Druckregulierungsmittel
zugeführt
wird, unabhängig
vom Oxidierungsgas auf der Kathodenseite zu steuern, vorgesehen
sein, wobei das Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel, wenn der
Druck des Oxidationsgases höher
ist als der Druck des Brenngases und der Differentialdruck zwischen
diesen somit außerhalb
des vorgegebenen Bereichs liegt, den Druck des Oxidationsgases,
das dem Druckregulierungsmittel zugeführt wird, erhöht, wodurch
der Druck des Brenngases auf der Anodenseite, der vom Druckregulierungsmittel
geregelt wird, erhöht
wird, wodurch der Differentialdruck gesenkt wird. Da der Druck des
Oxidationsgases, das dem Druckregulierungsmittel zugeführt wird,
vom Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel erhöht wird, wird entsprechend
dieser Konstruktion der Druck des Brenngases, das der Anodenseite
zugeführt
wird, ebenfalls erhöht,
wodurch der Differentialdruck gesenkt wird.
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Wenn
der Druck des Oxidationsgases höher ist
als der Druck des Brenngases und somit der Differentialdruck zwischen
diesen außerhalb
des vorgegebenen Bereichs lieg, kann der Druck des Oxidationsgases,
das der Kathodenseite zugeführt
wird, ferner durch das Oxidationsgas-Zufuhrmittel gesenkt werden,
so dass der Differentialdruck gesenkt wird. Entsprechend dieser
Konstruktion wird durch die Unterdrückung der Druckerhöhung durch
das Oxidationsgas-Zufuhrmittel der Differentialdruck direkt eliminiert.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Blockschema eines Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden
Ausführungsform;
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2 ist
ein Ablaufschema, welches das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems
der vorliegenden Ausführungsform
erläutert;
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3A ist
eine Querschnittsdarstellung eines Reglers (eines Druckregulierungsmittels)
während
der Erhöhung
des Brenngasdrucks;
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3B ist
eine Querschnittsdarstellung des Reglers (des Druckregulierungsmittels)
während
der Senkung des Brenngasdrucks; und
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4 ist
ein Funktionsblockschema entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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BESTE WEISE
ZUR DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Nun
werden bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird die vorliegende Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem
angewendet, das sich in einem beweglichen Körper eines Elektrofahrzeugs oder
dergleichen befindet. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen
stellen lediglich eine Art der vorliegenden Erfindung dar, somit
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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1 ist
eine Darstellung des gesamten Systems des vorliegenden Brennstoffzellensystems. Wie
in 1 dargestellt, weist dieses Brennstoffzellensystem
ein System für
die Zufuhr von Wasserstoffgas, bei dem es sich um Brenngas handelt,
zu einem Brennstoffzellenstapel 10, ein System für die Zufuhr von
Luft als Oxidationsgas und ein System für die Kühlung des Brennstoffzellenstapels 10 auf.
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Der
Brennstoffzellenstapel 10 weist einen Stapelaufbau auf,
in dem eine Vielzahl von Zellen gestapelt sind, wobei die Zelle
aus einem Separator mit Kanälen
für Wasserstoffgas,
Luft und Kühlwasser und
einer MEA (Membran/Elektroden-Anordnung), die zwischen einem Paar
Separatoren gehalten wird, besteht. Die MEA ist so aufgebaut, dass
eine Polymerelektrolytmembran zwischen zwei Elektroden, nämlich der
Anodenelektrode (Brennstoffelektrode) und der Kathodenelektrode
(Luftelektrode) gehalten wird. Die Anodenelektrode ist so aufgebaut,
dass eine Anodenkatalysatorschicht auf einer porösen Schicht vorgesehen ist,
während
die Kathodenelektrode so aufgebaut ist, dass eine Kathodenkatalysatorschicht
auf einer porösen
Schicht vorgesehen ist. Da die Brennstoffzelle die Umkehrreaktion
der Wasserelektrolyse erzeugt, wird somit Wasserstoffgas als Brenngas
zur Anodenelektrode, bei der es sich um eine negative Elektrode
handelt, geliefert, wird sauerstoffhaltiges Oxidationsgas (Luft)
zur Kathodenelektrode, bei der es sich um eine positive Elektrode
handelt, geliefert, wird in der Anodenelektrode eine in Gleichung
(1) dargestellte Reaktion bewirkt und wird in der Kathodenelektrode
eine in Gleichung (2) dargestellte Reaktion bewirkt, wodurch die
Elektroden zirkulieren, um einen elektrischen Strom weiterzugeben. H2 → 2H+ +
2e– (1) 2H+ + 2e– +
(1/2)O2 → H2O (2)
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Das
System für
die Lieferung von Wasserstoffgas zum Brennstoffzellenstapel 10 weist
in einer Wasserstoffgas-Zufuhrleitung SL, die von einem Wasserstofftank 11,
welcher der Brenngas-Zufuhrquelle der vorliegenden Erfindung entspricht,
bis zum Brennstoffzellenstapel 10 verläuft, folgendes auf: ein Quellenventil
(ein EIN/AUS-Ventil
des Tanks oder ein Tankabsperrventil) SV1, ein Druckregulierungsventil RG,
das dem Druckregulierungsmittel der vorliegenden Erfindung entspricht,
und ein Brennstoffzelleneinlass-Absperrventil SV2, wobei ein Drucksensor
p1 den Leitungsdruck der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung SL im oberen
Abschnitt des Druckregulierungsventils RG messen kann und ein Drucksensor
p2 den Wasserstoffgas-Zufuhrdruck im Brennstoffzellenstapel 10 messen
kann.
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Ferner
weist eine Umlaufroute R, die von einem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 ausgeht,
folgendes auf: ein Brennstoffzellenauslass-Absperrventil SV3, einen
Gas/Flüssigkeits-Separator 12,
ein Absperrventil für
den Gas/Flüssigkeits-Separator
SV4, eine Wasserstoffpumpe 13 und ein Umlaufrouten-Absperrventil
SV6. Stromaufwärts
von der Wasserstoffpumpe 13 ist ein Auslassweg für abströmendes Wasserstoffgas
vorgesehen und ein Entleerungs-Absperrventil SV5 ist im Auslassweg
vorgesehen.
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Der
Wasserstofftank 11 ist mit hoch verdichtetem Wasserstoffgas
gefüllt.
Als Wasserstofftank sind außer
einem Hochdruck-Wasserstofftank ein Wasserstofftank, in dem Wasserstoff
absorbierende Legierungen verwendet werden, ein Wasserstoff-Zufuhrmechanismus,
der reformiertes Gas verwendet, ein Flüssigwasserstofftank, ein Flüssiggastank
und verschiedene andere Wasserstofftanks verwendbar. Das Öffnen und
Schließen
des Quellenventils SV1 wird durch ein Steuersignal von einer Steuereinheit 20 gesteuert,
und es wird ausgewählt,
ob Wasserstoffgas zu einer Zufuhrleitung geliefert wird oder ob das
Sperrventil geschlossen wird.
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Das
Regulierungsventil RG ist beispielsweise ein bekanntes Umgehungs-Regulierungsventil oder
ein Membran-Regulierungsventil für
die Einführung
eines Signaldrucks (siehe die japanische Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 2003-68334), das so aufgebaut ist, dass der Luftdruck stromabwärts vom Kathodenelektrodenkompressor 22 in
eine Signaldruckkammer eingeführt
wird, wodurch der Druck des hoch verdichteten Wasserstoffgases aus
dem Wasserstofftank so reguliert (gesenkt) wird, dass er niedriger
wird als der Tankinnendruck.
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Ein
Beispiel für
das Druckregulierungsventil RG, das in der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, wird mit Bezug auf 3A und 3B beschrieben. 3A zeigt
eine Situation, in der der Druck des sekundären Brenngases erhöht wird,
während 3B eine
Situation zeigt, in der der Druck des sekundären Brenngases gesenkt wird.
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Dieses
Druckregulierungsventil RG ist so aufgebaut, dass die Ventilöffnung durch
Regeln einer beweglichen Docke (puppet) 110 mittels der
Vorspannkraft einer Feder und den Umgebungsdruck mittels einer Membran
gesteuert wird. Genauer weist das Druckregulierungsventil RG folgendes
auf: eine Federkammer 102, in die das Brenngas aus einer auslassseitigen
(primären)
Brenngas-Zufuhrleitung 101 strömt, eine Kommunikationsleitung 104 und eine
Membrankammer 105, in die das druckregulierte Brenngas
strömt,
wobei das druckregulierte Brenngas zu einer auslassseitigen (sekundären) Brenngas-Zufuhrleitung 106 ausgetragen
wird. Die Strömungsrate
des Brenngases, das in die Federkammer 102 strömt, wird
durch die vertikale Bewegung der Docke 110, die in die
Kommunikationsleitung 106 eingeführt ist, gesteuert. In dieser
Docke 110 ist ein konischer Dockenkopf 114, der
auf der Seite der Federkammer 102 angeordnet ist, durch eine
Dockenachse 116, die in die Kommunikationsleitung 104 eingeführt ist,
mit einem Hauptkörper 113 verbunden,
der in der Membran 105 angeordnet ist. Die Membrankammer 105 ist
durch eine flexible Membran 118, die am Umfang des Hauptkörpers 113 der
Docke vorgesehen ist, aufgeteilt. Über der Membran ist ein Raum
ausgebildet, in den das Brenngas strömen kann, und unter ihr ist
eine Luftkammer 202 ausgebildet, in die Luft strömt. Aufgrund
dieser Flexibilität
der Membran 118 kann sich die Docke über die Kommunikationsleitung 104 frei
auf und ab bewegen. Die Docke wird durch eine Feder 112,
die in der Federkammer 102 vorgesehen ist, und eine Druckregulierungsfeder 111,
die in der Membrankammer 105 vorgesehen ist, gestützt.
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Wenn
die Luft zugeführt
wird und der Druck in der Luftkamme 202 relativ hoch wird,
wird in der obigen Konstruktion die Docke 110 von dem Druck, der
an die Membran 118 und die Docke 110 angelegt wird,
nach oben geschoben, wodurch sich der Dockenkopf 114 von
der Kommunikationsleitung 104 trennt. Somit strömt das hoch
verdichtete Brenngas von der einlassseitigen Brenngas-Zufuhrleitung 101 durch
einen Spalt zwischen der Kommunikationsleitung 104 und
der Dockenachse 116 in die Membrankammer 105 und
wird zur auslassseitigen Brenngas-Zufuhrleitung geliefert, und der
Druck des Brenngases, das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugefühurt wird,
steigt.
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Wenn
der Zufuhrdruck der Luft abnimmt und der Druck in der Luftkammer 302 relativ
niedrig wird, wird der Druck, der an die Membran 118 und
die Docke 110 angelegt wird, gesenkt, und infolgedessen steigt
die Vorspannkraft der Feder 112, wodurch der Dockenkopf 114 nach
unten gedrückt
wird. Somit bewegt sich der Dockenkopf 114 in eine Richtung,
in der die Kommunikationsleitung 104 blockiert wird, und der
Querschnitt der Kommunikationsleitung 104, durch den der
Brenngasstrom von der einlassseitigen Brenngas-Zufuhrleitung 101 strömt, wird
verengt. Daher wird die Strömungsrate
des Brenngases, das in die Membrankammer 105 strömt, gesenkt,
und der Druck des Brenngases, das der auslassseitigen Brenngas-Zufuhrleitung 106 zugeführt wird,
sinkt ebenfalls.
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Wie
in 1 dargestellt, wird hierbei der Druck der Luft,
die dem Druckregulierungsventil RG zugeführt wird, aufgrund des Luftdrucks
auf der Kathodenelektrodenseite definiert, welcher aufgrund des
Antriebsumfangs des Kompressors 22 definiert wird, d.h.
aufgrund der Steuerung der Absperrventile SV8 und SV9, die dem Oxidationsgasdruck-Regulierungsmittel
der vorliegenden Erfindung entsprechen. Genauer wird der Druck an
der Auslassseite des Regulierungsventils RG durch die Steuereinheit 20,
welche den Kompressor 22 antreibt, und die Betätigung der
Absperrventile SV8 und SV9 geregelt. Beispielsweise wird durch Öffnen des
Absperrventils SV8 der Druck der Luft, die dem Druckregulierungsventil
RG zugeführt
wird, erhöht
und der auslassseitige Druck des Druckregulierungsventils RG wird
erhöht,
und durch Öffnen
des Absperrventils SV9 wird der Druck der Luft, die dem Druckregulierungsventil
RG zugeführt
wird, gesenkt und der Auslassdruck des Regulierungsventils RG wird
gesenkt. Das Brennstoffzelleneinlass-Absperrventil SV2 wird aufgrund
des Steuersignals der Steuereinheit 20 geschlossen, wenn
die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle aufhört.
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Der
Gas/Flüssigkeits-Separator 12 dient
der Eliminierung von Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen,
die durch die elektrochemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels
während
des Normalbetriebs erzeugt werden, aus dem Wasserstoffgas und deren
Austragung durch das Absperrventil SV4 nach draußen.
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Das
Entleerungs-Absperrventil SV5 ist mit der Umlaufroute R verbunden
und wird nur geöffnet, wenn
eine Entleerung durchgeführt
wird, aber auch, wenn die Leistungserzeugung aufgehört hat,
um den Druck innerhalb der Umlaufroute R zu senken. Das abströmende Wasserstoffgas,
welches das Entleerungs-Absperrventil SV5 verlässt, wird zu einer Verdünnungseinrichtung 14 geliefert
und durch abströmende
Luft verdünnt.
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Die
Wasserstoffpumpe 13 treibt das abströmende Wasserstoffgas aufgrund
des Steuersignals von der Steuereinheit 20 zur Zirkulation
in der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung (zur Einlassseite des Brennstoffzellenstapels 10).
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Das
Umlaufrouten-Absperrventil SV6 wird geschlossen, wenn die Leistungserzeugung
aufgehört
hat, wird aber geöffnet,
wenn die Brennstoffzelle arbeitet, um das abströmende Wasserstoffgas zum Brennstoffzellenstapel 10 zu
liefern. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Rückschlagventil anstelle des Umlaufrouten-Absperrventils
SV6 vorgesehen sein kann.
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Das
System für
die Lieferung von Luft zum Brennstoffzellenstapel 10 schließt einen
Luftreiniger 21, den Kompressor 22 und einen Befeuchter 23 ein. Der
Luftreiniger 21 reinigt die Luft und führt die gereinigte Luft in
das Brennstoffzellensystem ein. Der Kompressor 22 erhöht den Druck
der eingeführten Luft
aufgrund des Steuersignals der Steuereinheit 20 und ändert dadurch
die Höhe
des Drucks der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird.
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Der
Befeuchter 23 führt
einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen der verdichteten Luft und
der abströmenden
Luft aus, um die geeignete Feuchtigkeit hinzuzufügen. Ein Teil der Luft, die
durch den Kompressor 22 verdichtet wurde, wird zur Signaldruckkammer
des Druckregulierungsventils RG geliefert, um das Druckregulierungsventil
RG des Brennstoffzellensystems zu steuern, und der Luftdruck im
Abschnitt zwischen den Absperrventilen SV8 und SV9 wird an die Membran
des Druckregulierungsventils RG angelegt. Die abströmende Luft,
die den Brennstoffzellenstapel 10 verlässt, wird der Verdünnungseinrichtung 14 zugeführt und
verdünnt.
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Das
Kühlsystem
des Brennstoffzellenstapels 10 schließt einen Radiator 31,
ein Kühlgebläse 32 und
eine Kühlpumpe 33 ein,
und das Kühlwasser wird
innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 umgewälzt und
zugeführt.
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Im
Brennstoffzellenstapel 10 sind einzelne Zellen in Reihe
oder parallel geschaltet, und eine vorgegebene Spannung (beispielsweise
500 V) wird zwischen der Anode A und der Kathode C erzeugt. Ein
Wandler 40 ist zwischen den Brennstoffzellenstapel 10 und
eine Sekundärbatterie 41,
die als Hilfseinrichtung für
die Ver sorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit elektrischer
Leistung vorgesehen ist, eingefügt.
Die Spannung von der Sekundärbatterie 41 wird
umgewandelt (erhöht),
so dass die Sekundärbatterie 41 mit
dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden werden kann und
die elektrische Leistung der Sekundärbatterie 41 dem Brennstoffzellenstapel 10 als
Hilfsleistung zur Verfügung
steht. Wenn die elektrische Leistung vom Brennstoffzellenstapel 10,
von einem Dreiphasenmotor 43 und von einem Hilfsmotor 45 jedoch
zu hoch ist, wird dagegen die Spannung vom Brennstoffzellenstapel 10 umgewandelt
(gesenkt) und die überschüssige elektrische
Leistung wird zur Sekundärbatterie 41 geliefert.
Ein Wechselrichter 42 ändert
Gleichstromleistung in Dreiphasenstrom und liefert diesen zum Dreiphasenmotor 42. Der
Dreiphasenmotor 42 ist beispielsweise im Falle der vorliegenden
Ausführungsform
mit einem Rad verbunden und ist eine Hauptquelle für den Energieverbrauch.
Im Fall eines schwachen Verbrauchs kann der Dreiphasenmotor 42 jedoch
regenerative elektrische Leistung über den Wechselrichter 42 und den
Wandler 40 zur Sekundärbatterie 41 liefern.
Ein Wechselrichter 44 ändert
auch Direktstromleistung in Wechselstromleistung, um den Hilfsmotor 45 anzutreiben.
Der Hilfsmotor 45 ist ein Antriebsmittel beispielsweise
der Wasserstoffpumpe 13, des Kompressors 22, des
Gebläses 32,
einer Kühlwasserpumpe 33 und
dergleichen, wie in 1 dargestellt.
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Die
Steuereinheit 20 ist ein bekanntes Computersystem, wie
eine ECU (Elektronische Steuereinheit) und kann als Brenngassystem
der vorliegenden Erfindung durch eine nicht dargestellte CPU (zentrale Verarbeitungseinheit)
betrieben werden, welche aufeinander folgend Softwareprogramme,
die in einem nicht dargestellten ROM gespeichert sind, und dergleichen
zur Implementierung der Erfindung ausführt. Genauer steuert die Steuereinheit 20 durch
das nachstehend beschriebene Verfahren (2) den Differentialdruck,
der zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt
wird, so dass der Differentialdruck in einem vorgegebenen Bereich
gehalten wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass zwar keine Beschränkung hinsichtlich des Aufbaus
der einzelnen Absperrventile besteht, dass aber beispielsweise ein
pilotbetriebenes Absperrventil verwendet wird. Der Grund dafür ist, dass
stark abdichtende Eigen schaften von dieser Art Ventil zu erwarten
sind, wenn das Ventil geschlossen wird, während der Druck stromabwärts gesenkt
wird. Bei dieser Art Ventil wird die Stromzufuhr zum Magneten unterbrochen,
wenn das Ventil geschlossen wird, und das Ventil wird mit einer
Geschwindigkeit geöffnet,
die von der Bilanz zwischen dem Restfluss und der Federkraft bestimmt wird.
Obwohl die Stärke
der Abdichtung zu diesem Zeitpunkt von der Vorspannkraft der Feder
abhängt, wird,
falls der Druck stromabwärts
vom Ventil niedrig ist, durch den Umfang des Differentialdrucks
zwischen der Vorder- und
der Rückseite
des Ventils eine starke Kraft an den Ventilkörper angelegt, wodurch die
Zuverlässigkeit
der Abdichtung verbessert wird.
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Mittels
des Funktionsblockschemas von 4 werden
die Konstruktionsmerkmale der oben genannten Ausführungsformen
mit der Konstruktion der vorliegenden Erfindung verglichen.
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Erstens
schließt
die vorliegende Erfindung, wie in 4 dargestellt,
folgendes ein: eine Brenngas-Zufuhrleitung 2 (entsprechend
der Brenngas-Zufuhrleitung SL) für
die Zuführung
von Brenngas von einer Brenngas-Zufuhrquelle 1 (entsprechend
dem Wasserstofftank 1) zur Brennstoffzelle 10,
ein Druckregulierungsmittel 3 (entsprechend dem Druckregulierungsventil
RG), das in der Benngas-Zufuhrleitung 2 vorgesehen ist
und der Druckregulierung des Brenngases dient, das von der Brenngas-Zufuhrquelle 1 geliefert
wird, und eine Umlaufroute 4 (entsprechend der Umlaufroute
R) für
die Rückführung des Brenngases,
welches die Brennstoffzelle 10 verlässt, zur Brenngas-Zufuhrleitung.
Die Umlaufroute 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie
mit der Gaszufuhrleitung 2 solchermaßen verbunden ist, dass das Brenngas
in Richtung stromaufwärts
zum Druckregulierungsmittel 3 in diese zurückgeführt wird.
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Zweitens
ist die vorliegende Erfindung so aufgebaut, dass das Druckregulierungsmittel 3 den Druck
des Brenngases in der Brenngas-Zufuhrleitung 2 mittels
des Drucks des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird,
regulieren kann, und die vorliegende Erfindung schließt folgendes
ein: eine Oxidationsgas-Zufuhrleitung 5 (entsprechend dem
Luftkreislauf) für
die Zuführung
von Oxidationsgas, das der Kathode einer Brennstoffzelle 10 zugeführt wird;
ein Oxidationsgas-Zufuhrmittel 6 (entsprechend dem Kompressor 22),
das in der Oxidationsgas-Zufuhrleitung 5 bereitgestellt
ist und das der Verdichtung des Oxidationsgases und dessen Zuführung zur
Kathode dient; ein kathodenseitiges Druckerfassungsmittel 7 (entsprechend
dem Drucksensor p3) zur Erfassung des Drucks des Oxidationsgases,
das der Kathode der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird;
ein anodenseitiges Druckerfassungsmittel 8 (entsprechend
dem Drucksensor p2) zur Erfassung des Drucks des Brenngases, das
der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird; und ein Steuermittel 9 (entsprechend
der Steuereinheit 20) für
die Drucksteuerung des Gases, das von der Brenngas-Zufuhrleitung
(der Umlaufroute) 2 und/oder der Oxidationsgas-Zufuhrleitung 5 der
Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, so dass der Differentialdruck
zwischen dem Oxidationsgas, das vom kathodenseitigen Druckerfassungsmittel 7 erfasst
wird, und dem Brenngas, das vom anodenseitigen Druckerfassungsmittel 8 erfasst
wird, in einen vorgegebenen Bereich kommt. Genauer werden die Arbeitsschritte bei
dieser Konstruktion in dem Ablaufschema von 2 verwirklicht.
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Nun
wird der Arbeitsablauf der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf das
Ablaufschema von 2 beschrieben. Wenn das Brennstoffzellensystem
arbeitet, wird das Ablaufschema wiederholt in geeigneten Intervallen
ausgeführt,
während
das Brennstoffzellensystem mit Leistung versorgt wird.
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Eine
transmembrane Duckunterschiedsbestimmung wird in der vorliegenden
Erfindung durchgeführt.
Hierbei dient die transmembrane Druckunterschiedsbestimmung der
Bestimmung des Differentialdrucks zwischen dem Wasserstoffgasdruck
auf der Anodenelektrodenseite und dem Luftdruck auf der Kathodenelektrodenseite,
wobei es sich bei den Elektroden um die Elektroden zu beiden Seiten
der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle handelt. Andere
Prozesse werden zu anderen Zeitpunkten durchgeführt, wenn die transmembrane
Druckunterschiedsbestimmung der vorliegenden Erfindung nicht durchgeführt wird
(S1: NEIN) und wenn die Zeit für
die transmembrane Druckunterschiedsbestimmung gekommen ist (S1:
JA), ermittelt die Steuereinheit 20 den Luftdruck, der
an die Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 angelegt wird,
und den Druck des Wasserstoffgases, der an die Anodenelektrode angelegt
wird. Genauer legt die Steuereinheit 20 den Wasserstoffgas-Zufuhrdruck
P2 mit Bezug auf das Erfassungssignal vom Drucksensor p2 fest (S2).
Ebenso legt die Steuereinheit 20 den Luftdruck P3 mit Bezug
auf ein Erfassungssignal vom Drucksensor p3 (S3) fest.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass hier zwar der Druck innerhalb der Leitungen
von den Drucksensoren gemessen wird, aber die Werte, welche der Luft
und dem Wasserstoffgas entsprechen, mittels anderer Verfahren erhalten
werden können.
Der Druck der Luft, die der Kathodenelektrode zugeführt wird,
kann mittels einer Datentabelle oder einer Berechnung aus der Drehzahl
des Kompressors oder der Zufuhrleistung geschätzt werden, da der Luftdruck
in enger Beziehung mit der Drehzahl des Kompressors 22 steht.
Darüber
hinaus kann der Druck des Wasserstoffgases, das der Anodenelektrode
zugeführt
wird, im Wesentlichen durch das Druckregulierungsventil RG bestimmt
werden, welches durch die Öffnungs-
und Schließungssteuerung
der Absperrventile SV8 und SV9, die durch die Steuereinheit 20 durchgeführt wird,
geregelt wird. Daher kann der Druck des Wasserstoffgases anhand
des Regulierungsbetrags des Druckregulierungsventils RG geschätzt werden.
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Sobald
der Wasserstoffgas-Zufuhrdruck P2 auf der Anodenelektrodenseite
des Brennstoffzellenstapels 10 und der Luftdruck P3 auf
der Kathodenelektrodenseite gemessen wurden, berechnet die Steuereinheit 20 den
Unterschied zwischen diesen, um einen Differentialdruck ΔP auszugeben
(S4). Der Differentialdruck ΔP
zu diesem Zeitpunkt kann ein positiver Wert oder ein negativer Wert
sein, je nach dem Größenverhältnis zwischen
dem Wasserstoffgas-Zufuhrdruck P2 und dem Luftdruck P3.
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Nun
bestimmt die Steuereinheit 20, ob der Differentialdruck ΔP in einem
vorgegebenen Druckbereich ±Pr
liegt (S5/S7). Dieser Druckbereich kann durch verschiedene Bedingungen
festgesetzt werden und ist ein Differentialdruck, der in einem Betriebszustand
der Brennstoffzelle bevorzugt ist. Falls der Differentialdruck groß ist, kommt
es zu einer Verschlechterung der Polymerelektrolytmembran, was die
Zuverlässigkeit
der Brennstoffzelle beeinträchtigt, oder
der Querverlust von Wasserstoffgas steigt ten denziell an. Da jedoch
ein Grenzwert für
den Differentialdruck für
jede Polymerelektrolytmembran erhalten wird, kann der Differentialdruckbereich
auf einen Bereich zwischen dem Grenzwert und einem Toleranzwert
eingestellt werden.
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Zunächst muss,
wenn der Differentialdruck ΔP
ein positiver Wert ist, d.h. wenn der Druck des Wasserstoffgases
auf der Anodenelektrodenseite höher
ist und somit der Differentialdruck mit der Kathodenelektrodenseite
Pr übertrifft
(S5: JA), der Differentialdruck gesenkt werden. Aus diesem Grund öffnet die
Steuereinheit 20 das Absperrventil SV9, um den Luftdruck,
der an die Membran des Druckregulierungsventils RG angelegt wird,
zu senken und den Zufuhrdruck des Wasserstoffgases zu senken (S6). Ferner
kann der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases auf der Anodenelektrodenseite
durch Öffnen
und Schließen
des Entleerungs-Absperrventils vorübergehend gesenkt werden. Wenn
die Menge an abzulassendem Wasserstoffgas jedoch zu groß ist, wird die
Luft, die von der Verdünnungseinrichtung 14 verdünnt werden
soll, somit die Entleerungsmenge so reguliert, dass sie nicht zu
groß wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Differentialdruck ΔP durch Erhöhen des
Drucks auf der Kathodenelektrodenseite gesenkt werden kann; wenn
der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases unter dem Gesichtspunkt der
Leistungsbeibehaltung und dergleichen nicht gesenkt werden kann,
gibt daher die Steuereinheit 20 ein Steuersignal aus, um
die Drehzahl des Kompressors 22 zu erhöhen und den Luftdruck zu erhöhen. Natürlich kann
der Differenzialdruck durch Erhöhung
des Drucks auf der Kathodenelektrodenseite gleichzeitig mit einer
Senkung des Zufuhrdrucks des Wasserstoffgases auf der Anodenelektrodenseite
schneller gesenkt werden.
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Wenn
dagegen der Differentialdruck ΔP
ein negativer Wert ist, d.h. wenn der Druck auf der Kathodenelektrodenseite
höher ist
und somit der Differentialdruck mit der Anodenelektrodenseite Pr übertrifft (S7:
JA), muss der Differentialdruck mittels eines Verfahrens eliminiert
werden, das dem von Schritt S5 entgegengesetzt ist. Der Differentialdruck ΔP kann durch
Senken des Drucks auf der Kathodenelektrodenseite gesenkt werden,
somit gibt die Steuereinheit 20 ein Steuersignal aus, um
die Drehzahl des Kompressors 22 zu senken (S8).
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Differentialdruck ΔP durch Erhöhung des
Zufuhrdrucks des Wasserstoffgases auf der Anodenelektrodenseite
gesenkt werden kann; statt die Drehzahl des Kompressors 22 zu
senken, kann daher das Absperrventil SV8 geöffnet und geschlossen werden,
um den Luftdruck, der an die Membran des Druckregulierungsventils
RG angelegt wird, zu erhöhen
und den Zufuhrdruck des Wasserstoffgases zu erhöhen (S9).
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Natürlich kann
der Differentialdruck durch Erhöhung
des Zufuhrdrucks des Wasserstoffgases auf der Anodenelektrodenseite
gleichzeitig mit der Senkung des Luftdrucks auf der Kathodenelektrodenseite
schneller gesenkt werden.
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Wenn
der Differentialdruck ΔP
im vorgegebenen Druckbereich ±Pr
liegt (S5: NEIN; S7: NEIN), bestimmt die Steuereinheit 20,
dass die Drucksteuerung im Brennstoffzellenstapel 10 problemlos
läuft und
geht zu einem anderen Prozess über.
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Wenn
in der obigen Konstruktion die Wasserstoffpumpe 13 angetrieben
wird, wird eine Pulsation in deren Ausgangsdruck erzeugt, und wenn
die einzelnen Absperrventile geöffnet
sind, setzt sich diese Pulsation in der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
SL fort. Da die Verbindungsstelle zwischen der Umlaufroute R und
der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
SL in der vorliegenden Erfindung jedoch stromaufwärts vom
Druckregulierungsventil RG angeordnet ist, schwächt das Druckregulierungsventil
RG die Pulsation ab, wodurch der Zufuhrdruck des Wasserstoffgases,
das dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, sehr stark stabilisiert
werden kann.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird der Differentialdruck zwischen der
Anodenelektrodenseite und der Kathodenelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 ferner
aufgrund des stabilisierten Zufuhrdrucks des Wasserstoffgases so
gesteuert, dass er bei oder unter dem vorgegebenen Bereich ±Pr liegt,
so dass ein Querverlust so weit wie möglich verhindert werden kann
und eine Verschlechterung der Polymerelektrolytmembran, die durch
einen zu hohen Differentialdruck bewirkt wird, unterdrückt werden
kann.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann insbesondere der Druck des Wasserstoffgases vom
Druckregulierungsventil RG mittels des Luftdrucks gesteuert werden,
und somit beeinflusst der Luftdruck den Wasserstoffgasdruck. Durch
Unterstützung
der Steuerung, die durch die Steuereinheit 20 durchgeführt wird,
mittels der mechanischen Wechselwirkung des Druckregulierungsventils
RG und dergleichen, kann daher der Differentialdruck noch schneller
eliminiert werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die Konstruktionen der obigen Ausführungsformen beschränkt ist,
sondern auf verschiedene Weise modifiziert und innerhalb des Bereichs
der Erfindung angewendet werden kann. Beispielsweise beschreiben
die Ausführungsformen das
Beispiel, in dem die Wasserstoffpumpe 13 in der Umlaufroute
R vorgesehen ist und das abströmende Wasserstoffgas
durch Antreiben der Wasserstoffpumpe 13 in der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
SL zum Umlaufen gebracht wird, aber die vorliegende Erfindung ist
nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die
vorliegende Erfindung kann beispielsweise auch auf einen Fall angewendet
werden, in dem anstelle der Wasserstoffpumpe ein bekannter Ejektor
in der Mündung
der Umlaufroute R und der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung SL vorgesehen
ist, um das Wasserstoffgas mittels der Ejektorwirkung in der Wasserstoffgas-Zufuhrleitung
umlaufen zu lassen. Wenn diese Konstruktion verwendet wird, ist
der Ejektor stromaufwärts
vom Regulierungsventil RG vorgesehen.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Entsprechend
der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung stabilisiert das Druckregulierungsmittel
auch dann, wenn eine Druckschwankung (Pulsation) in der Umlaufroute
auftritt, den Druck stromabwärts,
so dass ein Auftreten von kleineren Schwankungen im Druck des Brenngases,
das der Brennstoffzelle zugeführt
wird, nicht mehr verhindert wird, und der Druck des Brenngases,
das der Brennstoffzelle zugeführt
wird, wird exakt gesteuert und infolgedessen kann die Leistungserzeugung
stabil durchgeführt
werden.
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Darüber hinaus
wird entsprechend der vorliegenden Erfindung der Differentialdruck
zwischen der Anodenelektrodenseite und der Kathodenelektrodenseite
der Brennstoffzelle so gesteuert, dass er bei oder unter dem vorgegebenen
Druckbereich liegt, wodurch ein Querverlust so weit wie möglich verhindert
werden kann und eine Verschlechterung der Polymerelektrolytmembran,
die durch einen zu hohen Differentialdruck verursacht wird, unterdrückt werden kann.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird der Druck des Brenngases außerdem entsprechend
dem Druck des Oxidationsgases geregelt, dadurch kann der Differentialdruck
durch die Eliminierung des Differentialdrucks, die durch das Steuermittel
durchgeführt
wird, und die Wechselwirkung der mechanischen Betätigungen
des Druckregulierungsmittels schneller eliminiert werden.
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Daher
kann die vorliegende Erfindung generell auf Brennstoffzellensysteme
angewendet werden, die stabil arbeiten müssen und in denen eine Gasaustrittserfassung
durchgeführt
werden muss. Auch wenn solch ein Brennstoffzellensystem in einem
sich auf der Erde bewegenden Körper,
wie einem Fahrzeug mit Rädern,
in einem maritimen Körper,
wie einem Schiff, in einem sich unter Wasser bewegenden Körper, wie
einem Unterseeboot, oder in einem sich in der Luft bewegenden Körper, wie
einem Flugzeug, eingesetzt wird, oder auch wenn das Brennstoffzellensystem
in einer unbeweglichen Anlage, wie einer Leistungserzeugungsanlage,
eingesetzt wird, ist die vorliegende Erfindung von Nutzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
UND VERFAHREN ZU DESSEN STEUERUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das in
der Lage ist, den Druck des Brenngases, das der Brennstoffzelle
zugeführt
wird, exakt zu steuern, wobei das Brennstoffzellensystem folgendes
einschließt:
eine Brenngas-Zufuhrleitung (SL), die das Brenngas von einer Brenngas-Zufuhrquelle
(11) zur Brennstoffzelle (10) liefert; ein Druckregulierungsmittel
(RG), das in der Brenngas-Zufuhrleitung (SL) vorgesehen ist und
das dazu dient, den Druck des Brenngases, das von der Brenngas-Zufuhrquelle
(11) geliefert wird, zu regeln, und eine Umlaufroute (R),
die das Brenngas, das die Brennstoffzelle (10) verlässt, zur
Brenngas-Zufuhrleitung (SL) zurückführt, wobei
die Umlaufroute (R) so mit der Brenngas-Zufuhrleitung (SL) verbunden
ist, dass das Brenngas stromaufwärts
vom Druckregulierungsventil (RG) in diese zurückgeführt wird.