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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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In
Brennstoffzellen tritt sogenanntes Lecken über Kreuz auf, bei dem zum
Zeitpunkt des Anhaltens der elektrischen Energieerzeugung Wasserstoffgas
auf der Anodenseite, welches in der Brennstoffzelle verbleibt, durch
eine Elektrolytmembran läuft, so
dass es sich zur Kathodenseite bewegt, und Sauerstoffgas und Stickstoffgas
in der Luft auf der Kathodenseite durch die Elektrolytmembran laufen,
so dass sie sich zur Anodenseite hin bewegen. Wenn Lecken über Kreuz
auftritt, gibt es einen Schaden an der Elektrolytmembran. Um dies
zu verhindern, wird zum Beispiel in Patentdokument 1 ein Verfahren
zum Anhalten einer Brennstoffzelle offenbart, bei dem das Abgas,
das aus der Kathode der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Anhaltens
der Zufuhr von elektrischer Energie ausgestoßen wird, rezirkuliert und
der Kathode zugeführt
wird. Die Erzeugung von elektrischer Energie wird dann durch den
verbleibenden Sauerstoff in dem Abgas fortgesetzt, so dass die Erzeugung
von elektrischer Energie angehalten wird, wenn die erzeugte elektrische
Spannung einen vorbestimmten Wert oder weniger erreicht.
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Patentdokument
1: offengelegte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2003-115317.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
der vorstehenden öffentlich
bekannten Technologie jedoch ist es notwendig, wenn die Konzentration
des verbleibenden Sauerstoffs graduell abfällt, einen Kompressor zu betreiben,
der das Sauerstoffgas mit einer festgesetzten Drehgeschwindigkeit
zirkuliert. Das kann jedoch nicht als ein Verfahren zum Anhalten
des Betriebs mit einem guten Brennstoffverbrauch bezeichnet werden.
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Ferner
bezieht sich die zuvor genannte öffentliche
Technologie auf ein Betriebsverfahren zum Zeitpunkt des vollständigen Anhaltens
des Betriebes des Brennstoffzellensystems und unterdrückt nicht die
Schädigung
der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle, die während der Anhaltezeiträume eines sequenziellen
Betriebs auftritt, bei denen die Brennstoffzelle in einer intermittierenden
Art und Weise betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen
und die Erzeugung von elektrischer Energie anzuhalten.
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Gemäß der Erfahrung
des Anmelders wird in den Zeiträumen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie während des
intermittierenden Betriebs angehalten wird, ein Sauerstoffmangel-Zustand
zwischenzeitlich an der Oberfläche
der Elektrolytmembran der Brennstoffzelle auftritt, Schädigung der
Langzeitstabilität
der Brennstoffzelle beobachtet. Wenn ferner die Menge des Oxidiergases
in einem Zustand niedrig wird, in dem verbleibendes Wasserstoffgas
vorhanden ist, tritt eine elektrochemische Reaktion zwischen dem
Oxidiergas und dem verbleibenden Wasserstoffgas in der Elektrolytmembran
auf und die Elektrolytmembran wird durch Wärme (die Wärme der Reaktion) geschädigt. Das
Verfahren nämlich
zum Verbrauchen von verbleibendem Sauerstoff unter Verwendung des
Verfahrens zum Anhalten der Brennstoffzelle, wie es in der zuvor
genannten öffentlichen
Technologie offenbart wird, ist nicht zum Unterdrücken der
Schädigung
der Elektrolytmembran geeignet, welche in den Zeiträumen des
Anhaltens der Erzeugung von elektrischer Energie bei der intermittierenden
Operation auftritt, bei der die Erzeugung von elektrischer Energie
und das Anhalten der Erzeugung von elektrischer Energie häufig wiederholt
werden.
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Um
diese Situation zu lösen,
ist es vorteilhaft für
die vorliegende Erfindung, ein Steuerverfahren zur Verfügung zu
stellen, welches dazu fähig
ist, die Erzeugung von elektrischer Energie eines Brennstoffzellensystems
ohne Schädigung
in dem Brennstoffverbrauch anzuhalten und während ein Schaden an der Elektrolytmembran
und thermische Schädigung
unterdrückt
werden. Ebenso wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt,
welches dieses Steuerverfahren anwendet.
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Um
die zuvor genannten Probleme zu lösen, ist das Brennstoffzellensystem
der vorliegenden Erfindung mit einer Brennstoffzelle versehen. Diese Brennstoffzelle
wird mit Oxidiergas während
Zeiträumen
versorgt, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wird.
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Im
vorstehenden wird mit dem Brennstoffzellensystem nach dem Stand
der Technik die Zufuhr von Oxidiergas zu einer Brennstoffzelle aufgrund
eines Zeitraums angehalten, in dem elektrische Energie nicht erzeugt
wird, ungeachtet ob das System als Ganzes in Betrieb ist oder nicht,
was bedeutet, dass Schaden an und thermische Schädigung der Elektrolytmembran
möglicht
sind. In diesem Zusammenhang wird gemäß der vorliegenden Erfindung
Oxidiergas selbst während
Zeiträumen
zugeführt,
in denen die Brennstoffzelle keine elektrische Energie erzeugt.
Das bedeutet, dass es möglich
ist, die Nachteile des Standes der Technik zu verhindern, welche durch
einen Mangel in Bezug auf das Oxidiergas hervorgerufen werden.
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Hier
sind „Zeiträume, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Brennstoffzelle
angehalten wird" Fälle, in
denen das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, aber die Erzeugung
von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle angehalten wird,
wie zum Beispiel in Zeiträumen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie während eines
intermittierenden Betriebes angehalten ist. Zusätzlich zu dem intermittierenden
Betrieb jedoch ist die vorliegende Erfindung ebenso auf Schritte
zum Anhalten der Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Brennstoffzelle
in Übereinstimmung
mit anderen Bedingungen oder zu einem Zeitpunkt des vollständigen Anhaltens
des Betriebes eine Brennstoffzellensystems anwendbar.
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Ferner
ist es für
die Zufuhr des Oxidiergases zu der Brennstoffzelle während der
Zeiträume
bevorzugt, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch
die Brennstoffzelle angehalten wird, dass diese intermittierend
ausgeführt
wird. Gemäß dieser Konfiguration
ist es möglich,
eine geeignete Menge von Oxidiergas für Zeiträume zuzuführen, in denen der Erzeugung
von elektrischer Energie angehalten wird durch Wiederholen eines
Vorgangs, in denen die Zufuhr vorhanden ist und in denen die Zufuhr
nicht vorhanden ist (Zufuhr und Nichtzufuhr), ohne die Menge der
Zufuhr an Oxidiergas pro Einheitszeit zu verändern.
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Darüber hinaus
ist es ebenso für
die Zufuhr von Oxidiergas zu der Brennstoffzelle während Zeiträumen bevorzugt,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wird, dass diese kontinuierlich ausgeführt wird.
Gemäß dieser
Konfiguration ist, wenn zum Beispiel die Zufuhr des Oxidiergases
während
der Veränderung der
Menge an zugeführtem
Oxidiergas kontinuierlich ist, es möglich, eine geeignete Menge
an Oxidiergas in Zeiträumen
zuzuführen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde.
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Ferner
ist die Menge an oxidierendem Gas, das zu der Brennstoffzelle während Zeiträumen zugeführt wird,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
größer oder
gleich anzunehmen als die minimale Menge an Sauerstoff, der zum
Verhindern eines Sauerstoffmangels der Brennstoffzelle zugeführt wurde.
Wenn dies getan wird, wenn die Menge des Oxidiergases, das so zugeführt wird,
dass ein Sauerstoffmangel nicht auftritt, im Vornherein festgesetzt
wird, kann eine Menge an Oxidiergas im Überschuss dieser Menge kann
während
Zeiträumen
zugeführt
werden, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wird. Eine Menge an Oxidiergas, die ausreichend ist, um eine Reaktion
mit dem verbleibenden Brennstoffgas fortzusetzen, kann folglich
selbst dann aufrecht erhalten werden, wenn die Erzeugung von elektrischer Energie
selbst angehalten wurde. Es ist folglich möglich, eine Elektrolytmembran
vor Schäden
und Schädigung
zu schützen,
die durch Sauerstoffmangel hervorgerufen werden.
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Hier
ist es ebenso bevorzugt, die Menge an Oxidiergas sicherzustellen,
die in einer solchen Art und Weise bereitgestellt wurde, dass ein
Fluss des Oxidiergases in der Brennstoffzelle gleichmäßig wird (zum
Beispiel eine Separatoroberfläche).
Wenn dies getan wird, ist es möglich,
ferner das Auftreten von lokalisierten Zuständen von Sauerstoffmangel und thermischer
Schädigung
zu verhindern.
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Es
ist ebenso für
die Menge an Oxidiergas bevorzugt, das in Zeiträumen zugeführt wurde, in denen die Erzeugung
von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle angehalten wurde,
dass diese weniger aufrecht erhalten wird als eine Zufuhrmenge entsprechend
der unteren Grenze eines Übersteuerungs-Bereiches
der Brennstoffzelle.
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Ferner
weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung eine
Brennstoffzelle und einen Treiber zum Zuführen von Oxidiergas zu der Brennstoffzelle
auf. Der Treiber nimmt eine Zufuhrmenge des Oxidiergases von Außen während Zeiträumen auf,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie für die Brennstoffzelle
angehalten wurde, der weniger ist als für Zeiträume, in denen die Brennstoffzelle
elektrische Energie erzeugt. Zusätzlich
zu dem intermittierenden Betrieb ist diese Konfiguration in Schritten
zum Anhalten der Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Brennstoffzelle
in Übereinstimmung
mit anderen Bedingungen oder zum Zeitpunkt des vollständigen Anhaltens
des Betriebes des Brennstoffzellensystems nützlich.
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Gemäß dieser
Konfiguration kann Oxidiergas mit einer kleineren Menge zugeführt werden
als während
der Zeiträume
der elektrischen Energieerzeugung, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie
durch die Brennstoffzelle angehalten wird. Die Energie, die durch
den Treiber verbraucht wird, kann folglich extrem klein gehalten
werden. Andererseits wird Oxidiergas, das mit einer kleinen Zufuhrmenge
zugeführt
wird, von Außen
aufgenommen und folglich eine ausreichende Konzentration an Sauerstoffgas
sichergestellt, so dass es möglich
ist, das Auftreten von Abschnitten in der Brennstoffzelle zu unterdrücken, die
einen Sauerstoffmangel aufweisen.
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Spezieller
ist es für
die Menge des Oxidiergases geeignet, das in Zeiträumen zugeführt wird,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie für die Brennstoffzelle
angehalten wird, dass dieser mit einer Zufuhrmenge aufrecht erhalten
wird, so dass die Energie, die an dem Treiber verbraucht wird, ein
vorbestimmter Wert oder weniger wird.
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Ferner
ist es für
den Mittelwert des Oxidiergases, das pro Einheitszeit zu der Brennstoffzelle
zugeführt
wird, bevorzugt, dass es sequenziell während einem Übergang
der Brennstoffzelle von einem Zeitraum der Erzeugung von elektrischer
Energie zu einem Zeitraum, in der die Erzeugung von elektrischer Energie
angehalten wird, verringert wird.
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Normaler
Weise wird ausreichendes Oxidiergas in Zeiträumen des Erzeugens von elektrischer Energie
zugeführt,
und es gibt eine Tendenz für
das Oxidiergas, das in Zeiträumen
des Erzeugens von elektrischer Energie zugeführt wird, während Zeiträumen verbleiben, in denen elektrische
Energie nicht erzeugt wird. Folglich wird gemäß dieser Konfiguration die
Menge an zugeführtem
Oxidiergas graduell verringert, um die Menge an verbleibendem Oxidiergas
in Betracht zu ziehen. Lokalisierter Sauerstoffmangel als Ergebnis
eines schnellen Anhaltens tritt folglich nicht auf, und eine Brennstoffzelle
kann folglich in einer stabile und schnellen Art und Weise angehalten
werden.
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Ferner
ist es in dem Fall, dass Oxidiergas kontinuierlich zugeführt wird,
für die
Menge an Oxidiergas, das zu der Brennstoffzelle zugeführt wurde, bevorzugt,
dass es linear oder asymptotisch verringert wird.
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In
diesem Fall kann ein Verfahren des Implementierens von intermittierender
Zufuhr durch wiederholte Zufuhr und Nichtzufuhr von Oxidiergas bei Intervallen
(Zeitintervallen), die keinen Sauerstoffmangel hervorrufen, und
dann langes Einstellen von Intervallen oder Zufuhrzeiträumen während des
Festsetzens der Zufuhrmenge pro Einheitszeit in Zufuhrzeiträumen, ein
Verfahren des graduellen Verringerns der Zufuhrmenge pro Einheitszeit
während
Zufuhrzeiträumen
der intermittierenden Zufuhr von Oxidiergas, während das Intervall fest aufrecht
erhalten wird, oder eine Kombination von beiden Verfahren (Verfahren,
welche eine Kombination von diesen implementieren) als effektiv
angegeben werden, spezieller Vorgänge zur sequenziellen Verringerung
des Oxidiergases.
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In
anderen Worten ist es für
das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die
Menge an zugeführtem
Oxidiergas durch Zuführen
von Oxidiergas zu der Brennstoffzelle mit einer vorbestimmten Zufuhrmenge
pro vorbestimmtem Zeitraum oder Einheitszeit in jedem vorbestimmten Zeitintervall
sequenziell verringert wird, die vorbestimmten Zeitintervalle graduell
länger
zu machen, die vorbestimmten Intervalle graduell kürzer zu
machen, die vorbestimmte Zufuhrmenge pro Einheitszeit graduell zu
verringern oder eine Kombination von einigen oder von allen diesen
Verfahren zu verwenden.
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Ferner
wird die vorliegende Erfindung von einer weiteren Perspektive durch
ein Brennstoffzellensystem gekennzeichnet, in dem Oxidiergas zu
einer Brennstoffzelle während
Zeiträumen
zugeführt
wird, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die
Brennstoffzelle angehalten wurde.
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Ferner
ist es für
die Zufuhr des Oxidiergases zu der Brennstoffzelle während Zeiträumen bevorzugt,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wurde, dass dies in intermittierender Art und Weise ausgeführt wird.
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Darüber hinaus
ist es ebenso bevorzugt für die
Zufuhr des Oxidiergases zu der Brennstoffzelle während Zeiträumen, in denen die Erzeugung
von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle angehalten wurde,
dass diese kontinuierlich ausgeführt wird.
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Ferner
ist es bevorzugt für
die Menge an Oxidiergas, welches während Zeiträumen zugeführt wurde, in denen die Erzeugung
von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle angehalten wurde,
dass diese größer als
oder gleich einer minimalen Sauerstoffzufuhrmenge zum Verhindern
von Sauerstoffmangel in der Brennstoffzelle sind.
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Darüber hinaus
ist die vorliegende Erfindung durch ein Brennstoffzellensystem gekennzeichnet, dass
mit einem Treiber zum Zuführen
von Oxidiergas versehen ist, in dem das Oxidiergas einer kleineren Zufuhrmenge
als während
Zeiträumen,
in denen die elektrische Energie erzeugt, von der Außenseite durch
den Treiber aufgenommen wird.
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Darüber hinaus
ist es bevorzugt für
die Bemittelte Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Oxidiergases während eines Übergangs
der Brennstoffzelle während
eines Zeitraums des Erzeugens von elektrischer Energie zu einem
Zeitraum, in dem die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wurde, sequenziell verringert zu werden.
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In
dem Vorstehenden wird gemäß der vorliegenden
Erfindung Oxidiergas zu einer Brennstoffzelle selbst in Zeiträumen zugeführt, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wurde. Es ist folglich möglich, die Erzeugung von elektrischer
Energie durch die Brennstoffzelle anzuhalten, während Schaden und thermische
Schädigung
einer Elektrolytmembran unterdrückt
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Gesamtansicht, die eine Konfiguration einer ersten Ausführungsform
einer Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Betriebes (Vorgang für ein Betriebsverfahren)
eines Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform zeigt.
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3 ist
eine Ansicht, die schematisch die Beziehung zwischen der Menge an
Luft (Oxidiergas), das zu der Brennstoffzelle zugeführt wurde,
und der Beständigkeit
der Elektrolytmembran zeigt, in welcher Sauerstoffmangel hervorgerufen
wurde.
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4 ist
eine Ansicht, die schematisch die Beziehung zwischen einer Menge
an Luft (Oxidiergas), das zu der Brennstoffzelle zugeführt wurde,
und der verbrauchten Energie zeigt.
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5 ist
eine Ansicht, die schematisch eine Veränderung der Stromdichte zeigt,
die in Zeiträumen
der Erzeugung von elektrischer Energie und in Zeiträumen, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde, für einen
intermittierenden Betriebsmodus zeigt.
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6 ist
eine Ansicht, die schematisch eine Menge an zugeführter Luft
für die
vorliegende Erfindung zeigt, welche in Zeiträumen der Erzeugung von elektrischer
Energie und in Zeiträumen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
für einen
intermittierenden Betriebsmodus zeigt.
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7 ist
eine Ansicht, die schematisch die Steuerung der Menge an Luft, die
für Zeiträume zugeführt wurde,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
in einem Betriebsverfahren einer zweiten Ausführungsform zeigt.
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8 ist
eine Ansicht, die schematisch die Steuerung einer Menge an zugeführter Luft
für Zeiträume zeigt,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
in einem Betriebsverfahren (modifiziertes Beispiel) der zweiten
Ausführungsform.
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9 ist
eine Ansicht, die schematisch die Steuerung der Menge an Luft, die
für Zeiträume zugeführt wurde,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
in einem Betriebsverfahren einer dritten Ausführungsform zeigt.
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10 ist
eine Ansicht, die schematisch die Steuerung einer Menge an Luft
zeigt, die für
Zeiträume
zugeführt
wurde, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wurde, in einem Betriebsverfahren (modifiziertes Beispiel 1) der
ersten Ausführungsform.
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11 ist
eine Ansicht, die schematisch die Steuerung einer Menge an Luft
zeigt, die für
Zeiträume zugeführt wurde,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
in einem Betriebsverfahren (modifiziertes Beispiel 2) der dritten Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Folgende ist eine Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen der
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung. Dimensionale Proportionen, wie sie in den Zeichnungen
gezeigt werden, werden in keiner Weise auf die in den Zeichnungen gezeigten
Proportionen begrenzt. Jede der Ausführungsformen ist einfach als
mögliche
Form der vorliegenden Erfindung bereitgestellt und wirkt in keiner Weise
begrenzend für
die vorliegende Erfindung.
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Erste Ausführungsform
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Die
erste Ausführungsform
ist auf Brennstoffzellensysteme anwendbar, welche an einem sich
bewegenden Körper
wie ein elektrisches Fahrzeug etc., Boote, Roboter und tragbare
mobile Datenstationen montiert sind. Die vorliegende Erfindung ist
auf die spezielle Kontrolle der Anhaltens von elektrischer Energieerzeugung
anwendbar (insbesondere die Steuerung des Anhaltens von Erzeugung
von elektrischer Energie, die in Zeiträumen des Anhaltens der Erzeugung
von elektrischer Energie während
eines intermittierenden Betriebes auftritt).
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1 ist
eine Gesamtansicht, die eine Konfiguration dieses Brennstoffzellensystems
zeigt. Wie in 1 gezeigt wird, ist das Brennstoffzellensystem mit
einem Brennstoffgassystem 10 zum Zuführen von Wasserstoffgas, das
das Brennstoffgas ist, zu einem Brennstoffzellenstapel 1,
einem Oxidiergassystem 20 zum Zuführen von Luft als Oxidiergas,
einem Kühlsystem 30 zum
Kühlen
des Brennstoffzellenstapels 1 und einem Energiesystem 40 ausgerüstet.
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Der
Brennstoffzellenstapel 1 weist eine gestapelte Struktur
auf, in dem eine Vielzahl von Zellen, welche aus Separatoren mit
Pfaden für
Wasserstoffgas, Luft und Kühlflüssigkeit
ausgerüstet
sind, und ein MEA (Membran-Elektroden-Anordnung),
die durch ein Paar von Separatoren kernverbunden ist, eine auf der
anderen gestapelt sind.
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Die
MEA weist eine Struktur auf, in der eine hochpolymere Elektrolytmembran
zwischen zwei Elektroden einer Anode und einer Kathode kernverbunden
ist. Die Anode wird durch eine katalytische Schicht für die Anodenverwendung
aufgebaut, die auf einer porösen
Trägerschicht
bereitgestellt ist, und die Kathode wird durch eine katalytische
Schicht für die
Kathodenverwendung aufgebaut, die auf einer porösen Trägerschicht bereitgestellt ist.
Die Brennstoffzelle ruft eine entgegengesetzte Reaktion zu der Elektrolyse
von Wasser hervor mit Wasserstoffgas, das Brennstoffgas ist, das
zu der Anodenseite (positive Elektrode) zugeführt wird, und Oxidiergas (Luft), das
zu der Kathodenseite (negative Seite) zugeführt wird. Als Ergebnis tritt
eine Reaktion an der Anodenseite auf, die durch die folgende Gleichung
(1) ausgedrückt
wird, und eine Reaktion tritt an der Kathodenseite auf, die durch
die Gleichung (2) ausgedrückt wird,
so dass Elektronen zirkulieren und Strom fließt. H2 → 2H+ +
2e– (1) 2H+ +
2e– +
(1/2)O2 → H2O (2)
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Das
Brennstoffgassystem 10 ist mit einem Brennstofftank 11 als
eine Zufuhrquelle für
Wasserstoffgas, einem Quellventil SV1, einem Regulierventil RG,
einem Abschaltventil SV2 für
den Brennstoffzelleneinlass und beim Durchlaufen durch den Brennstoffzellenstapel 1,
einem Abschaltventil SV3 für
den Brennstoffzellenauslass, einem Dampf-Flüssig-Separator 12, einem Abschaltventil
SV4, einer Wasserstoffpumpe 13 und einem Prüfventil
RV ausgerüstet.
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Der
Wasserstofftank 11 wird mit Hochdruck-Wasserstoffgas gefüllt. Zusätzlich zum Aufnehmen eines
Hochdruckwasserstofftanks als Wasserstoffzufuhrquelle ist die Anwendung
von verschiedenen Objekten wie einem Wasserstofftank, der eine Wasserstoff-Speicherlegierung
anwendet, einem Wasserstoff-Zufuhrmechanismus unter Verwendung von
reformiertem Gas, einem Flüssigwasserstofftank oder
einem Flüssigbrennstofftank
etc. ebenso möglich.
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Das
Quellventil SV1 steuert die Zufuhr des Wasserstoffgases. Das Regulierventil
RG reguliert den Druck eines stromabwärtigen Zirkulationspfades.
Das Absperrventil SV2 für
den Brennstoffzelleneinlass und das Absperrventil SV3 für den Auslass können zu
dem Zeitpunkt des Anhaltens der elektrischen Energieerzeugung der
Brennstoffzelle geschlossen werden. Zum Zeitpunkt eines normalen Betriebes
entfernt der Dampf-Flüssig-Separator 12 Feuchtigkeit
und andere Verunreinigungen, die als Ergebnis einer elektrochemischen
Reaktion des Brennstoffzellenstapels 1 erzeugt wurden,
aus dem Wasserstoffabgas und stößt die Feuchtigkeit
und die Verunreinigungen über
das Abschlussventil SV4 nach außen
aus. Die Wasserstoffpumpe 13 zirkuliert Wasserstoff mit
Gewalt in dem Zirkulationspfad. Ein Abgaspfad ist in einer verzweigten
Art und Weise an der Vorderseite des Kontrollventils verbunden,
und ein Absaugventil SV5 ist über
dem Ausstoßpfad
bereitgestellt.
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Das
Oxidiergassystem 20 ist mit einem Luftreiniger 21,
einem Kompressor 22 und einem Befeuchter 23 ausgerüstet. Der
Luftreiniger 21 reinigt externe Luft und nimmt diese Luft
in das Brennstoffzellensystem hinein.
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Der
Kompressor 22 (Treiber) verdichtet Luft von Außen (Luft,
die das Oxidiergas bereitstellt), das mit einer Drehgeschwindigkeit
hineingenommen wird, die durch die Steuereinheit 2 angezeigt
wird und führt
diese Luft dem Brennstoffzellenstapel 1 zu. Die Menge an
Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 in Zeiträumen zugeführt wird,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie, in den intermittierenden
Betrieb angehalten wurde, oder zu Zeitpunkten, zu denen der Betrieb
des Brennstoffzellensystems vollständig angehalten wurde, kann
folglich durch Steuern der Drehgeschwindigkeit des Kompressors 22 entschieden
werden. Der Befeuchter 23 tauscht Feuchtigkeit zwischen
der komprimierten Luft und dem Luftabgas aus und unterzieht die
komprimierte Luft einer geeigneten Feuchtigkeit.
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Luftabgas,
das aus dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgestoßen wird,
wird mit Wasserstoffabgas, das aus dem Ansaugventil SV5 ausgestoßen wurde, durch
einen Verdünner
(nicht gezeigt) gemischt und ausgestoßen.
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Ferner
ist das Kühlsystem 30 mit
einem Strahler 31, einem Gebläse 32 und einer Kühlwasserpumpe 33 ausgerüstet, wobei
Kühlflüssigkeit
in einer solchen Art und Weise zugeführt wird, dass sie in dem Brennstoffzellenstapel 1 zirkuliert.
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Das
Energiesystem 40 ist mit einer Batterie 41, einem
Hochspannungswandler 42, einem Antriebsumrichter 43,
einem Antriebsmotor 44, einem Hochdruckhilfsgerät 45,
einem Stromsensor 46 und einem Spannungssensor 47 ausgerüstet.
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Bei
dem Brennstoffzellenstapel 1 sind einzelne Zellen zusammen
in Serie oder parallel verbunden, und eine vorbestimmte Hochspannung
(zum Beispiel etwa 500 V) wird zwischen der Anode A und der Kathode
C als Ergebnis erzeugt. Der Hochspannungswandler 42 führt die
Spannungswandlung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und
der Batterie 41 von verschiedenen Spannungen aus, mit der
Energie der Batterie 41 als eine Hilfsenergiezufuhr für den Brennstoffzellenstapel 1,
und lädt
die Batterie 41 mit überschüssiger Energie
aus dem Brennstoffzellenstapel 1 auf. Der Antriebsumrichter 43 wandelt
einen Reihenstrom in einen Dreiphasenstrom um und führt diesen
Strom dem Antriebsmotor 44 zu. Der Antriebsmotor 44 erzeugt
Energie zur Drehung eines Rades in dem Fall, dass zum Beispiel der
bewegte Körper
ein Fahrzeug ist.
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Ein
Motor wie der Antriebsmotor für
den Kompressor 22, die Wasserstoffpumpe 13 und
das Gebläse 32 oder
ein Motor für
die Kühlwasserpumpe 33 etc.
können
als Hochdruckhilfsgeräte 45 angegeben
werden. Der Stromsensor 46 gibt ein Detektionssignal Sa
entsprechend dem elektrischen Strom aus, der durch den Brennstoffzellenstapel 1 erzeugt
wurde, und der Spannungssensor 47 gibt ein Detektionssignal
Sv entsprechend einer Anschlussspannung des Brennstoffzellenstapels 1 aus.
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Die
Steuereinheit 2 ist ein öffentlich bekanntes Rechnersystem,
das zum Beispiel bei der Steuerung eines Fahrzeugs verwendet wird,
wobei das Brennstoffzellensystem in Übereinstimmung mit dem in 2 gezeigten
Vorgehen betrieben wird als Ergebnis einer CPU (zentrale Prozesseinheit)
(nicht gezeigt), die sequenziell ein Softwareprogramm ausführt, das
im ROM etc. (nicht gezeigt) gespeichert ist.
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Anstatt
von einem einzelnen Mikroprozessor konfiguriert zu werden, wird
die Steuereinheit 2 als ein Ergebnis von einer Anzahl an
Mikroprozessoren realisiert, die verschiedene Programmmodule so
implementieren, dass als ein Ergebnis die entsprechenden Funktionen
in Kooperation betrieben werden und es für eine breite Vielzahl von
Funktionen einschließlich
des Verfahrens, auf welches die vorliegende Erfindung angewendet
wird, möglich
ist, implementieret zu werden.
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Als
nächstes
wird eine Beschreibung des Betriebes des Brennstoffzellensystems
der ersten Ausführungsform
gegeben.
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Der
intermittierende Betriebsmodus dieser Ausführungsform ist ein Betriebsmodus
zum Verbessern des Brennstoffverbrauchs zum Zeitpunkt einer leichten
Last und ist ein Betriebsmodus, in dem festgesetzte Zeiträume, in
denen die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, und festgesetzte
Zeiträume,
in denen die Brennstoffzelle keine elektrische Energie erzeugt,
wiederholt werden. Die Betriebssteuerung (Anhaltesteuerung) in dem
Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform wird auf den Zeitraum
angewendet, in dem die Erzeugung von elektrischer Energie für diesen
intermittierenden Betriebsmodus angehalten wird. Speziell wird bei
einem Zeitraum des Anhaltens der Erzeugung von elektrischer Energie
eines Brennstoffzellenstapels 1 bei dem Zeitpunkt des intermittierenden
Betriebes eine Menge der Zufuhr an Luft (Oxidiergas), die mehr ist als
die niedrigste Menge der Zufuhr von Sauerstoff, so dass der Brennstoffzellenstapel 1 keinem
Sauerstoffmangel oder thermischer Schädigung ausgesetzt wird, aufrecht
erhalten.
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Hier
wird die Beziehung zwischen der Menge an Luft, die zu der Brennstoffzelle
zugeführt
wurde, und der Beständigkeit
der Elektrolytmembran, welche Sauerstoffmangel hervorruft, in 3 gezeigt. Die
Beständigkeit
ist ein Punkt (Index), welcher relativ das Ausmaß anzeigt, zu welchem ein Schaden durch
die hochpolymere Elektrolytmembran zugezogen wurde, so dass die
Lebensdauer kürzer
wird, und ein Schaden, der weniger leicht zugezogen wurde für eine hohe
Beständigkeit,
wodurch die Lebensdauer dann länger
wird.
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Wie
aus 3 bestimmt werden kann, gibt es eine Tendenz der
Beständigkeit
einer hochpolymeren Elektrolytmembran, dramatisch abzufallen, wenn
die Menge an Sauerstoff unter einem vorbestimmten minimalen Wert
des zugeführten
Sauerstoffs fällt,
so dass ein Bereich von unzureichendem Sauerstoff erreicht wird.
Wenn die Menge an zugeführter
Luft, die dazu fähig
ist, die Menge an Sauerstoff entsprechend der minimalen Sauerstoffzufuhrmenge
sicherzustellen, als minimale Luftzufuhrmenge Vmin angenommen wird,
wenn die Menge an Luft, die zu der Brennstoffzelle zugeführt wurde,
größer oder
gleich diese minimalen Luftzufuhrmenge Vmin ist, kann die Beständigkeit
der Brennstoffzelle aufrecht erhalten werden. Diese minimale Luftzufuhrmenge
Vmin stellt eine untere Grenze für
eine Menge an Luft dar, die zu einer Steuerregion für den Kompressorbetrieb
zugeführt
wurde, der in Zeiträumen auftritt,
in denen elektrische Energieerzeugung für den Brennstoffzellenstapel
der vorliegenden Erfindung angehalten wurde.
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Ferner
wird in dieser Ausführungsform
ein Steuerbereich bestimmt, welcher die Voraussetzungen vom Standpunkt
der elektrischen Energie wie auch der Beständigkeit der hochpolymeren
Elektrolytmembran in Betracht zieht. Die Menge an Luft, die in Zeiträumen für den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wurde,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
wird nämlich
in einem Bereich einer zugeführten
Menge aufrecht erhalten, die sicherstellt, dass Energie, die an
dem Kompressor 22 verbraucht wurde, in einem vorbestimmten
Wert oder weniger liegt.
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Die
Beziehung zwischen der Menge an Luft, die zu der Brennstoffzelle
zugeführt
wurde, und der verbrauchten Energie wird in 4 gezeigt.
Der Treiber für
den Kompressor 22 hebt die verbrauchte Energie an, so dass
die Drehgeschwindigkeit ansteigt und die Menge an Luftzufuhr, die
zur Ausgabe möglich
ist, ansteigt. Die Menge an zugeführter Luft steigt in einer
Art und Weise an, die im Wesentlichen mit der Energie korreliert,
die bis zu einem gewissen Ausmaß verbraucht
wurde, aber die verbrauchte Energie pendelt sich mit dem Anstieg
der Menge an zugeführter
Luft ein (wird gesättigt).
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In
diesem Brennstoffzellensystem fluktuiert die benötigte Menge an Sauerstoff (die
Menge an Sauerstoff, die durch die Reaktion der Gleichung (2) benötigt wird),
die durch die Gleichung (2) entschieden wird, gemäß der benötigten Ausgangsleistungswerte,
welche für
die Brennstoffzelle benötigt
werden, aber wenn die Menge an überschüssiger Luft
in der Menge an zugeführter
Luft wesentlich ist, wird die Menge an Wasser, das von der Oberfläche der
MEA hochpolymeren Elektrolytmembran zu entfernen ist, zu groß wird,
fällt die
Effizienz, mit welcher die elektrische Energie erzeugt wird, ab.
Diese Art von Bereich konstituiert den Übersteuerungs-Bereich, der
in der gleichen Zeichnung gezeigt wird. Während den Zeiträumen der
Erzeugung von elektrischer Energie des Brennstoffzellenstapels 1 wird
die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 22 in einer solchen Art
und Weise gesteuert, dass die Menge an zugeführter Luft weniger als die
maximale Luftzufuhrmenge Vmax ist, welcher die untere Grenze dieses Übersteuerungs-Bereiches
ist.
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An
einem Bereich, an der Menge der zugeführten Luft vergleichsweise
klein ist, steigt die durch den Kompressor 22 verbrauchte
Energie an, wenn die Drehgeschwindigkeit schneller und die Menge
an zugeführter
Luft reichlich wird. Um den Energieverbrauch zu unterdrücken, ist
es für
die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 22 bevorzugt, dass
diese niedrig gehalten wird, um in einem Bereich zu bleiben, in
dem die notwendige Menge an Luft sichergestellt werden kann. Hier
wird die obere Grenze der verbrauchten Energie Plim in einem Zeitraum,
in dem die Erzeugung von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel 1 angehalten
wurde, als ein Wert entschieden, der nicht mit der Steuerung in
einen Bereich eingreift, welcher die vorstehend beschriebene minimale
Luftzufuhrmenge Vmin übersteigt,
und die Menge an zugeführter
Luft zum Zeitpunkt des Betriebes des Kompressors 22, welcher diese
verbrauchte Energie verwendet, wird als ein oberer Grenzwert Vlim
für die
verbrauchte Energie der unterdrückten
Luftzufuhr angenommen. Dies wird dann als obere Grenze für den Steuerbereich des
Kompressorbetriebes in Zeiträumen
angenommen, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wurde.
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Ferner
wird in dieser Ausführungsform
eine Zufuhrmenge in einer solchen Art und Weise festgesetzt, dass
es möglich
ist, eine gleichmäßige Zufuhr an
Sauerstoff (Oxidiergas) zu jeder Zelle des Brennstoffzellenstapels 1 aufrecht
zu erhalten. In dem Fall nämlich
des Betriebes des Kompressors 22 in dem Steuerbereich,
der in 3 gezeigt wird, ist die Menge an zugeführter Luft
relativ klein verglichen mit dem Zeitraum der Spannungserzeugung,
und die Menge an Luft, die in den Separatoren fließt, welche
die MEA enthalten, wird klein gemacht.
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Eine
Kontaktoberfläche
wird folglich zwischen der Luft und der Elektrolytmembran bei den Separatoren
aufrecht erhalten und ein Pfad mit einer komplexen Form bereitgestellt,
um die Übertragungszeit
sicherzustellen. Die Form des Pfades konstituiert dann den Widerstand
gegen die Luft, die an der Separatoroberfläche fließt, so dass selbst wenn Luft
an der Brennstoffzelle als Ganzes fließt, Luft in einer lokalisierten
Art und Weise zurückgehalten
wird und Abschnitte, die einen Mangel an Sauerstoff zeigen, auftreten.
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Hier
in dieser Ausführungsform
ist eine Menge an zugeführter
Luft, die so ist, dass Zustände
von Sauerstoffmangel nicht als Ergebnis von Luft auftreten, die
bei grob jedem Abschnitt einer Einheitszelle fließt, als
gleichmäßiger minimaler
Luftzufuhrwert festgesetzt, als ein minimaler Wert, der für die Brennstoffzelle
kennzeichnend ist. Dieser gleichmäßige untere Grenzwert der Luftzufuhr
wird für
jede Separatorform unter Verwendung von Experimenten etc. festgesetzt,
um ein Element zu ergeben, das den Einfluss der Separatorform einer
einzelnen Zelle übernimmt.
Wenn dieser gleichmäßige untere
Grenzwert der Luftzufuhrwert größer als
die minimale Luftzufuhrmenge Vmin zum Verhindern von Sauerstoffmangel
ist, wird der gleichmäßige untere
Grenzwert der Luftzufuhr als unterer Grenzwert für die Steuerregion der Luftzufuhr
festgesetzt, die in Zeiträumen
auftritt, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten
wurde.
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Im
Vorstehenden wird ein Kompressor 22 in einer Luftzufuhr-Steuerregion
betrieben, die durch eine minimalen Luftzufuhrmenge (minimale Sauerstoff-Zufuhrmenge) zum
Verhindern eines Zustandes des Sauerstoffmangels an einer hochpolymeren Elektrolytmembran
bestimmt wird, ein unterer Grenzwert der verbrauchten Energie der
Unterdrückung der
Luftzufuhr zum Unterdrücken
von verbrauchter Energie, und ein gleichmäßiger unterer Grenzwert der
Luftzufuhr (minimale Sauerstoff-Zufuhrmenge) zum Verhindern von
lokalisiertem Sauerstoffmangel.
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Der
Bereich für
diese Luftzufuhrmenge für die
Grenzregion ist eine gesamte Menge von 20 NL/min bis 50 NL/min für den Brennstoffzellenstapel 1,
der zum Beispiel 400 Einheitszellen stapelt, das heißt 0,05
NL/min bis 0,125 NL/min pro Zelle.
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Ein
Flussdiagramm, welches zeigt, wann der Kompressor 22 in
den Luftzufuhr-Steuerbereich betrieben wird, wird in 2 gezeigt
als ein Beispiel des Betriebs (Vorgang für das Betriebsverfahren) des Brennstoffzellensystems
der ersten Ausführungsform.
Die Prozessroutine, die in diesem Flussdiagramm gezeigt wird, kann
periodisch am Zeitpunkt der Ausführung
(Betriebszeit) dieses Brennstoffzellensystems ausgeführt werden,
oder kann in einer irregulären
Art und Weise ausgeführt
werden. Jeder Prozessgegenstand dieses Flussdiagramms ist in einer
ungefähren
Ordnung bereitgestellt, die geändert werden
kann, vorausgesetzt, dass das Ziel der vorliegenden Erfindung weiterhin
erreicht wird.
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In 2,
wenn es einen Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 1 in
einem intermittierenden Betriebsmodus (intermittierender Betriebszustand)
der Brennstoffzelle (S1: NEIN) gibt, treibt die Steuereinheit 2 den
Kompressor 22 mit einer Drehgeschwindigkeit an, die durch
Berechnungen beruhend auf der Ausgangsenergie bestimmt wird, die
für die
Brennstoffzelle (S10) benötigt
werden.
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In
dem Fall des Eintretens eines Zeitraums der angehaltenen elektrischen
Energieerzeugung des intermittierenden Betriebes (S1: JA), treibt
die Steuereinheit 2 den Kompressor 22 mit einer
Drehgeschwindigkeit an, die im Vorhinein in einer solchen Art und
Weise festgesetzt ist, dass sie den Steuerbereich erreicht, der
in 3 gezeigt wird (S2). Diese festgesetzte Drehgeschwindigkeit
wird durch eine Drehgeschwindigkeit exemplarisch dargestellt, für die angenommen
wird, dass sie eine Luftzufuhrmenge ergibt, die zum Beispiel der
Umgebung der Mitte des Steuerbereiches entspricht.
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Die
Steuereinheit 2 führt
die folgende Steuerung in einer solchen Art und Weise aus, dass
die Menge an zugeführter
Luft in dem Zeitraum der angehaltenen elektrischen Energieerzeugung
in dem Bereich des Steuerbereichs aufrecht erhalten wird.
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Ein
Detektionssignal etc. nämlich
für einen Drucksensor
ps wird auf sich bezogen, die Steuereinheit 2 misst die
Menge an zugeführter
Luft und prüft, ob
die Menge an zugeführter
Luft weniger als der untere Grenzwert Vmin des Steuerbereichs ist
oder nicht (der untere Grenzwert für die minimale Luftzufuhrmenge
oder der gleichmäßige untere
Grenzwert der Luftzufuhr) (S3). In dem Fall, dass die Menge an zugeführter Luft
weniger als der untere Grenzwert Vmin ist (S3: JA), wird angenommen,
dass die Brennstoffzelle einen Bereich des Sauerstoffmangels erreicht
hat (3), in dem die Brennstoffzelle sich in einem lokalisierten
Zustand des Sauerstoffmangels befindet, und die Steuereinheit 2 gibt
ein Antriebssignal in einer solchen Art und Weise heraus, dass die Drehgeschwindigkeit
des Kompressors 22 angehoben wird (S4).
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Wenn
andererseits die Menge an zugeführter
Luft größer als
oder gleich der obere Grenzwert Vmin des Steuerbereichs ist (S5:JA),
wird zuviel Energie durch den Kompressor 22 verbraucht.
Die Steuereinheit 2 gibt folglich ein Antriebssignal in
einer solchen Art und Weise heraus, dass die Drehgeschwindigkeit
des Kompressors 22 leicht verringert wird (S6).
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Ferner
gibt es ebenso Fälle,
in denen der Luftzufuhrprozess in den Bereich der angehaltenen elektrischen
Energieerzeugung bei einer Zeit ausgeführt wird, zu dem der Betrieb
des Brennstoffzellsystems vollständig
angehalten wurde. In dieser Art von Fall wird die Zufuhr von Wasserstoffgas,
welches das Brennstoffgas ist, angehalten, und die erzeugte elektrische
Energie der Brennstoffzelle fällt
ab. Es ist nicht länger
notwendig, Luft zu dem Zeitpunkt zuzuführen, bei dem der Betrieb vollständig mit
der Grenze anhält,
dass eine Schädigung
der hochpolymeren Elektrolytmembran nicht auftritt.
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In
dem Fall, dass von dem Stromsensor 46 und dem Spannungssensor 47 verstanden
wird, dass die erzeugte elektrische Energie weniger ist als der vorbestimmte
Wert Pmin (S8: JA), verbraucht die Steuereinheit 2 jegliches
verbleibende Wasserstoffgas, bestimmt ob ein Sauerstoffmangel an
der Oberfläche
der hochpolymeren Elektrolytmembran der MEA auftritt, oder ob thermische
Schädigung
als ein Ergebnis des Wasserstoffgases auftritt, welches von der
Anodenseite, zu der Kathodenseite permeiert, nicht länger auftritt,
und hält
den Betrieb des Kompressors 22 an (S9).
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Die
Art und Weise, in welcher die Stromdichte jede Zelle jeder Brennstoffzelle
sich entsprechend des intermittierenden Betriebes (des intermittierenden
Betriebes) der ersten Ausführungsform ändert, wird
in 5 gezeigt. Ferner ändert sich die Art und Weise,
in welche die Menge an Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird,
entsprechend dem sequentiellen Modus, wie in 6 gezeigt
wird.
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Der
intermittierende Betriebsmodus implementiert alternativ Zeiträume der
elektrischen Energieerzeugung und Zeiträume, in denen die Erzeugung
von elektrischer Energie angehalten wurde, für den Brennstoffzellenstapel 1 bei
vorbestimmten Intervallen. Während
der Zeiträume
der elektrischen Energieerzeugung fließt ein Strom, wie in 5 gezeigt
wird, an jeder Einheitszelle, weil Energie durch das gesamte System
verbraucht wird, und eine Menge an zugeführter Luft wird gemäß dessen
entschieden, wie in 6 gezeigt wird.
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Andererseits
fließt
während
Zeiträumen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie für den Brennstoffzellenstapel 1 angehalten
wurde, im Wesentlichen kein Strom, wie in 5 gezeigt
wird, da nicht länger
Energie verbraucht wird. Die Menge jedoch der Zufuhr von Luft wird
ebenso in einem Steuerbereich aufrecht erhalten während Zeiträumen, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde, so
dass zum Beispiel ein Mittelwert der Luftzufuhr VP aufrecht erhalten
wird. Mit dem System nach dem Stand der Technik ist die Menge an
Luft, die während
der Zeiträume
zugeführt wird,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde,
im Wesentlichen Null. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden
Erfindung unterscheidet sich folglich im Wesentlichen vom Stand
der Technik im Bezug auf diesen Punkt.
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In
dieser Ausführungsform
wird die Zufuhr von Luft während
Zeiträumen
ausgeführt,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel 1 angehalten
wurde, aber der Betriebsvorgang, der in dem Flussdiagramm der 2 gezeigt
wird, kann wie er ist als eine Gegenmaßnahme zum Verhindern von Schädigungen
der Elektrolytmembran in Zellen angewendet werden, in denen der
Betrieb des Brennstoffzellensystems vollständig angehalten wurde.
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Gemäß des Brennstoffzellensystems
der ersten Ausführungsform
wird eine Menge an Luft zu einem Ausmaß, das dazu fähig ist,
Schaden aufgrund von Sauerstoffmangel an der Oberfläche der hochpolymeren
Elektrolytmembran der MEA zu unterdrücken, und dazu fähig ist,
thermische Schädigung
aufgrund von elektrochemischen Reaktionen zu unterdrücken, die
durch verbleibendes Wasserstoffgas gefördert werden, wird die Zufuhr
während Zeiträumen fortgeführt, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wurde. Die Brennstoffzelle wird folglich vor Schaden
geschützt,
der aufgrund von Sauerstoffmangel und thermischer Schädigung auftreten
kann, und die Beständigkeit
und Zuverlässigkeit
werden verbessert.
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Ferner
ist die Menge an zugeführter
Luft, um die durch den Kompressor 22 verbrauchte Energie niedrig
zu halten, die obere Grenze, und es ist möglich, den Energieverbrauch
zu einem großen
Ausmaß zu
begrenzen, wie es möglich
ist, in dem Bereich, in dem Sauerstoffmangel und thermische Schädigung der
hoch polymeren Elektrolytmembran unterdrückt werden können.
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Ferner
kann eine Menge der Zufuhr an Sauerstoff eines Bereichs, in dem
ein Fluss von Luft an der Separatoroberfläche gleichmäßig ist, sichergestellt werden,
und es ist folglich möglich,
das Auftreten von lokalisierten Zuständen des Sauerstoffmangels
zu verhindern.
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Darüber hinaus
wird Luft, die zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird,
von der Außenseite
aufgenommen. Luft mit einer vergleichsweise hohen Konzentration
an Sauerstoff wird folglich zugeführt, und das Auftreten von
Sauerstoffmangel in einer lokalisierten Art und Weise an der Brennstoffzelle kann
unterdrückt
werden.
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Zweite Ausführungsform
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In
der ersten Ausführungsform
gibt es eine abrupte Änderung
von der Menge an zugeführter
Luft für
den Zeitraum des Erzeugens von elektrischer Energie zu der Zufuhr
der begrenzten Menge an Luft während
die Brennstoffzelle von einem Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung
zu einem Zeitraum, in dem die Erzeugung von elektrischer Energie
angehalten wird, geht, aber in der zweiten Ausführungsform ändert sich die Menge der zugeführten Luft
graduell. Das Brennstoffzellensystem, das in dieser Ausführungsform
verwendet wird, weist die gleiche Struktur auf, die in der ersten
Ausführungsform verwendet
wird, wie durch das Brennstoffzellensystem, das in 1 gezeigt
wird, exemplarisch dargestellt wird.
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Die
Steuerkennzeichen für
die Menge an zugeführter
Luft von einem Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung zu einem
Zeitraum, in dem der Betrieb für
die Brennstoffzelle der zweiten Ausführungsform angehalten wurde,
wird in 7 gezeigt. 7 zeigt
die Änderung
der Menge an zugeführter Luft
zwischen dem Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung und dem
Zeitraum der angehaltenen Erzeugung von elektrischer Energie, wie
in 6 in einer vergrößerten Art und Weise gezeigt
wird.
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In 7 ist
bis zu einer Zeit t0 ein Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung
und von der Zeit t0 ist ein Übergang
zu einem Zeitraum der angehaltenen Erzeugung von elektrischer Energie.
Die Steuereinheit 2 steuert die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 22 in
einer solchen Art und Weise, dass die Menge an zugeführter Luft
von der Zeit (Zeit t0), bei der der Zeitraum der elektrischen Energieerzeugung
endet, verringert wird. Zum Zeitpunkt t1 wird die Menge der Steuerung
(Menge an zugeführter
Luft) der Mittelwert der Luftzufuhr Vp, der für die erste Ausführungsform
beschrieben wurde, und die Menge an zugeführter Luft stabilisiert sich
danach in Übereinstimmung
mit der Prozedur, die in dem Flussdiagramm der 2 gezeigt
wird.
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Wenn
die Menge an zugeführter
Luft dramatisch verändert
wird, treten Luftverwirbelungen aufgrund von Fluktuationen in der
zugeführten
Menge auf. Abhängig
von dem Fall ist es folglich möglich, das
lokalisierte Zustände
von Luftmangel auftreten können.
Im Bezug auf dieses wird in der zweiten Ausführungsform eine Steuerung in
einer solchen Art und Weise ausgeführt, dass die Menge and zugeführter Luft
sequentiell (graduell) verändert
wird. Die Menge an verbleibendem Sauerstoff direkt vor dem Zeitraum des
Anhaltens der Erzeugung von elektrischer Energie der Brennstoffzelle
wird graduell verändert
und als ein Ergebnis wird das Auftreten von lokalisiertem Sauerstoffmangel
weniger wahrscheinlich.
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Es
ist sicherlich möglich,
die Menge an zugeführter
Luft asymptotisch zu ändern,
wie in 8 gezeigt wird, anstatt die Menge an zugeführter Luft
in einer linearen Art und Weise zu verändern.
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Dritte Ausführungsform
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In
der ersten Ausführungsform
ist die Menge an zugeführter
Luft in Zeiträumen
begrenzt, in denen die Brennstoffzelle die Erzeugung von elektrischer Energie
anhält.
In einer dritten Ausführungsform
jedoch und einem Beispiel wird beschrieben, in dem die Menge an
zugeführter
Luft dazu gebracht wird, sich intermittierend zu ändern. Das
Brennstoffzellensystem, das in dieser Ausführungsform verwendet wird,
weist die gleiche Struktur auf, wie die, die in der ersten Ausführungsform
gezeigt wird, wie sie durch das in 1 gezeigte
Brennstoffzellensystem exemplarisch dargestellt wird.
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Steuerkennzeichen
für die
Menge an zugeführter
Luft von Zeiträumen,
in denen elektrische Energie erzeugt wird, zu Zeiträumen, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie für die Brennstoffzelle der dritten
Ausführungsform
angehalten wurde, wird in 9 gezeigt. 9 ist
eine vergrößerte Ansicht,
die eine Veränderung
der Menge an zugeführter
Luft zwischen den Zeiträumen
der Erzeugung von elektrischer Energie und den Zeiträumen, in
denen die Erzeugung von elektrischer Energie angehalten wurde, wie
in 6 gezeigt wird.
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Wie
in 9 gezeigt wird, wird die gleiche Menge an Luft
dauerhaft zugeführt
für nur
einen festen Zeitraum der Zeit t in einem festgesetzten Intervall
T von der Zeit (t0) des Anhaltens des Zeitraums der elektrischen Energieerzeugung.
Ein Mittelwert für diese
intermittierende Zufuhr der Luft ist Vp, der in 6 gezeigt
wird. Das Intervall T wird als ein Zeitraum in einer solchen Art
und Weise festgesetzt, dass Sauerstoffmangel aufgrund verbleibenden
Sauerstoffs an der Brennstoffzelle nicht auftritt, selbst wenn es
keine Zufuhr von Luft gibt. Die Steuereinheit 2 übt eine
Steuerung in einer solchen Art und Weise aus, dass der Kompressor 22 nur
für den
Zeitraum t mit der gleichen Drehfrequenz betrieben wird für jedes
Intervall T von (Zeit t0) bei der Zeit des Beendens eines Zeitraums,
in dem elektrische Energie erzeugt wird.
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Es
gibt ebenso Fälle,
in denen eine stabile Zufuhr von Luft schwierig ist bei einer Luftzufuhrmenge,
die in der Steuerregion durch den Zustand des Kompressors unterdrückt wird.
Zum Beispiel gibt es Fälle,
in denen die minimale Antriebsdrehgeschwindigkeit zu einem gewissen
Ausmaß hoch
ist. In diesen Fällen
also, gemäß der dritten
Ausführungsform, ist
es möglich,
die mittlere Menge der zugeführten Luft
als ein Ergebnis des intermittierenden Antriebs des Kompressors
fein zu steuern.
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Eher
als das Festsetzten der Drehgeschwindigkeit für den intermittierenden Betrieb
während
der Zeiträume
des Anhaltens der Erzeugung von elektrischer Energie, wie in 10 gezeigt
wird, wird die Drehgeschwindigkeit in jedem Antriebsintervall T
verändert,
und als ein Ergebnis ist es möglich,
die Menge an zugeführter
Luft in jedem Zeitraum t mit jedem Intervall T zu verändern. Wie
in 11 gezeigt wird, ist es ebenso möglich, die
Antriebszeiträume
des Kompressors T1 bis T5 so zu verändern, dass die Menge an zugeführter Luft
bei jedem Zeitraum t1 bis t5 bei jedem Intervall T als ein Ergebnis
sich verändern.
Es ist ebenso möglich,
sowohl die Drehgeschwindigkeit als auch den Kompressorbetriebs- Zeitraum zu verändern. In
jedem Fall ist die mittlere Menge an zugeführter Luft im Wesentlichen
asymptotisch, wie in der zweiten Ausführungsform gezeigt wird.
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Weitere Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf jede der vorstehenden
Ausführungsformen
begrenzt, und verschiedene Modifikationen können eingesetzt werden, ohne
von dem Bereich dieser Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können verschiedene
Verfahren für
die Steuerverfahren in Betracht gezogen werden, in denen die Menge
an zugeführter Luft
in Zeiträumen,
in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wurde, in dem begrenzenden Bereich aufrecht erhalten
wurde, und die zu detektierende physikalische Menge kann ebenso
geeignet verändert
werden. Ebenso ist der Steuerungszeitpunkt und die Menge der Steuerung
des Kompressors 22 in keiner Weise darauf begrenzt, was
für jede
der Ausführungsform beschrieben
wurde.
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Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung führt Oxidiergas
zu den Brennstoffzellen selbst während
Zeiträumen
zu, in denen die Erzeugung der elektrischen Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wurde. Es ist folglich möglich, Schäden an und thermische Schädigung der
Elektrolytmembran zu unterdrücken
und die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
anzuhalten. Breite Anwendung in der Ausrüstung wie mobile Körper, die
mit Brennstoffzellen ausgerüstet
sind, Motoren und Installationen etc sind folglich möglich.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung führt Oxidiergas
zu einer Brennstoffzelle während
Zeiträumen
zu, in denen die Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle
angehalten wird. Als Ergebnis wird eine Menge an Oxidiergas, die
gerade ausreichend ist, um eine Reaktion mit dem verbleibenden Brennstoffgas
fortzusetzen, selbst dann fortgesetzt, wenn die Erzeugung von elektrischer
Energie selbst angehalten wird. Es ist folglich möglich, Elektrolytmembranen
vor Schäden
zu bewahren, die als ein Ergebnis von Sauerstoffmangel auftreten.
Ferner ist zusätzlich
zu dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem der
vorliegenden Erfindung ebenso auf Schritte anwendbar zum Anhalten
der Erzeugung von elektrischer Energie durch eine Brennstoffzelle
in Übereinstimmung
mit anderen Bedingungen oder bei Zeitpunkten des vollständigen Anhaltens
des Betriebes des Brennstoffzellensystems.