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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsableitungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das effizient Flüssigkeit ableiten kann, die in einem Brennstoffzellenstapel bei der Zeit einer Betätigung der Brennstoffzelle verbleibt.
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Eine Brennstoffzelle hat als eine umweltfreundliche saubere Energiequelle Aufmerksamkeit gewonnen. Die Brennstoffzelle verwendet Brenngas, wie Wasserstoff, und Oxidationsgas, wie Luft, um Energie durch eine elektrochemische Reaktion zu erzeugen. Wasser (Wasserdampf) wird auch durch die elektrochemische Reaktion von Brenngas mit Oxidationsgas erzeugt. Das auf diese Weise erzeugte Wasser wird in geeigneter Weise während des Betriebs der Brennstoffzelle abgeleitet.
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Wenn der Betrieb der Brennstoffzelle wieder aufgenommen wird, nachdem er einmal gestoppt worden ist, würde das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser, das in dem Brennstoffzellenstapel verbleibt, einen sanften Start der Brennstoffzelle behindern, falls sie nicht entfernt werden würden. Obwohl es denkbar ist, das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser dadurch zu entfernen, dass eine Zirkulationspumpe in einem Brenngaszirkulationssystem veranlasst wird, bei einer hohen Geschwindigkeit zu arbeiten, würde dies das Geräusch erhöhen.
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Die
JP 2003-317766 A offenbart einen Aufbau, in dem ein Entleerventil in einem Brenngaszirkulationssystem angeordnet ist, und das Entleerventil wird veranlasst, bei Auftreten einer Verstopfung einer Ableitung zu öffnen, um temporär die Strömungsrate vom Brenngas zu erhöhen, um dadurch die Verstopfung der Ableitung aufzulösen.
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Jedoch ist es schwierig, die Flüssigkeit in dem System (das erzeugte Wasser, Taukondensationswasser) einfach durch Erhöhen der Strömungsrate von Brenngas vollständig abzuleiten.
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US 6 475 655 B1 und
DE 100 61 687 A1 offenbaren jeweils Flüssigkeitsableitungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Bei diesen wird jedoch nicht zu der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels ein Reaktionsgas mit höherer Geschwindigkeit zugeführt, wobei vor Zufuhr des Reaktionsgases ein Unterdruckzustand in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet wird, um dann die Flüssigkeit mittels des Reaktionsgases mit höherer Geschwindigkeit abzuleiten.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Flüssigkeitsableitungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, mit dem zuverlässig und schnell Flüssigkeit innerhalb eines Brennstoffzellenstapels zu der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels abgeleitet werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Flüssigkeitsableitungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß bezieht sich Reaktionsgas auf wenigstens eines von einem Brenngas (Wasserstoff) und einem Oxidationsgas (Sauerstoff oder Luft). Während die Geschwindigkeit des Reaktionsgases von dem Systemaufbau, wie dem Brennstoffzellenstapel, einer Pumpe, einer Rohrform, einem Druck des Wasserstoffspeicherbehälters, einem Druckregulierventil und anderen Elementen abhängt, kann sie zum Beispiel 1000 Liter pro Minute oder mehr, bevorzugt 5000 Liter pro Minute oder mehr sein, oder es kann das Reaktionsgas mit hohem Druck und einer hohen Geschwindigkeit von vorzugsweise 10000 Litern pro Minute oder mehr zugeführt werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffstapels bevorzugt das Reaktionsgas zu dem Brennstoffstapel in einer Menge zugeführt, die größer als die Zuführmenge für das Reaktionsgas während eines normalen Betriebs ist. Bei diesem Aufbau wird das Reaktionsgas von einer großen Menge zugeführt, die die verbleibende Flüssigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels ausblasen und daher zuverlässig und schnell ableiten kann.
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Erfindungsgemäß wird das Reaktionsgas bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels zu dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei innerhalb des Brennstoffzellenstapels ein Unterdruckzustand ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau wird der Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels auf ein negatives Niveau eingestellt, und somit kann Reaktionsgas mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit oder Reaktionsgas von einer größeren Menge zugeführt werden.
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Vorzugsweise wird der Unterdruckzustand durch Erzeugen von Energie in dem Brennstoffzellenstapel vor einem Zuführen von Reaktionsgas hergestellt. Alternativ ist bevorzugt eine Pumpe in dem Ableitungsweg vorgesehen, und der Unterdruckzustand wird durch Antreiben der Pumpe hergestellt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das System vorzugsweise ein Druckvariabilitätsregulierventil, das zwischen einer Zuführquelle für das Reaktionsgas und dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, wobei bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels das Druckvariabilitätsregulierventil so verwendet wird, dass der Brennstoffzellenstapel mit Reaktionsgas von einem höheren Druck als ein Zuführdruck von Reaktionsgas während eines normalen Betriebs versorgt wird. Mit diesem Aufbau ermöglicht das Druckvariabilitätsregulierventil eine Zufuhr des Reaktionsgases mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das System des Weiteren bevorzugt folgende Elemente: ein Druckregulierventil, das zwischen einer Zuführquelle für das Reaktionsgas und dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist; und ein Umgehungsweg, der das Druckregulierventil umgeht. Reaktionsgas wird von dem Umgehungsweg zu dem Brennstoffzellenstapel bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels zugeführt, und Reaktionsgas wird mittels des Druckregulierventils zu dem Brennstoffzellenstapel während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels zugeführt.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels eine Zufuhr des Reaktionsgases bevorzugt mehrere Male ausgeführt. Dies stellt sicher, dass die verbleibende Flüssigkeit zuverlässiger entfernt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Ableitungsweg vorzugsweise ein Volumen vorgesehen bzw. ausgebildet. Dies ermöglicht eine Zufuhr einer großen Menge von Reaktionsgas oder ermöglicht, dass eine große Menge von Reaktionsgas zeitweilig vereinigt bzw. konzentriert wird anstelle abgeleitet zu werden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das System des Weiteren bevorzugt folgende Elemente: einen Zuführweg für ein Zuführen von Reaktionsgas zu dem Brennstoffzellenstapel; und einen Zirkulationsweg, der mit dem Zuführweg verbunden ist, für ein Zurückführen von Reaktionsgas, das von dem Brennstoffzellenstapel abgeleitet worden ist, zu dem Zuführweg.
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Vorzugsweise ist ein Volumen in dem Zirkulationsweg vorgesehen.
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Noch bevorzugter ist der Zirkulationsweg ein Teil des Ableitungswegs.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Reaktionsgas vorzugsweise Brenngas.
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Bevorzugt wird bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels Brenngas zu dem Brennstoffzellenstapel mit einer höheren Geschwindigkeit zugeführt als während eines normalen Betriebs, und Oxidationsgas wird zu dem Brennstoffzellenstapel mit einer höheren Geschwindigkeit als in dem normalen Betrieb zugeführt.
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Vorzugsweise wird eine Zufuhr von Reaktionsgas mehrere Male bei der Zeit einer Betätigung der Brennstoffzelle ausgeführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschrieben ist, ist es möglich, ein Flüssigkeitsableitungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, mit dem Flüssigkeit in einem Brennstoffzellenstapel zuverlässig und schnell abgeleitet werden kann.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Aufbauschaubild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem zeigt, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird;
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2 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur des Flüssigkeitsableitens bei der Zeit einer Betätigung gemäß einem Brennstoffzellensystem einer ersten Ausführungsform zeigt;
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3 ist ein Flussdiagramm, das eine Prozedur eines Flüssigkeitsableitens bei der Zeit einer Betätigung gemäß einem Brennstoffzellensystem einer zweiten Ausführungsform zeigt;
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4 ist ein Aufbauschaubild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem einer dritten Ausführungsform darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei ein Beispiel dargestellt ist, wo die vorliegende Erfindung auf ein Fahrzeug angewendet ist.
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[1. Aufbau einer ersten Ausführungsform]
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1 ist ein Aufbauschaubild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wie in der Figur gezeigt ist, wird Luft (Umgebungsluft) als Oxidationsgas mittels eines Luftzuführwegs 71 zu einem Luftzuführanschluss 3 eines Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt. Der Luftzuführweg 71 ist mit einem Luftfilter 11 für ein Entfernen von feinen Partikeln aus Luft, einem Kompressor 12 für ein Druckbeaufschlagen von Luft, einem Drucksensor 51 für ein Erfassen eines Drucks einer Zuführluft und einem Befeuchter 13 für ein Hinzufügen von erforderter Feuchtigkeit zu der Luft versehen. Der Luftfilter 11 ist mit einem Luftmengenmesser (Strömungsmesser), der nicht dargestellt ist, für ein Erfassen der Strömungsrate von Luft versehen.
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Luftabgas, das von einem Luftabgasanschluss 4 des Brennstoffzellenstapels 20 abgeleitet worden ist, wird mittels eines Abgaswegs 72 zu der Außenseite abgeleitet. Der Abgasweg 72 ist mit einem Drucksensor 52 für ein Erfassen eines Abgasdrucks, einem Druckregulierventil 14 und einem Wärmetauscher des Befeuchters 13 versehen. Das Druckregulierventil (Druckverringerungsventil (14)) funktioniert als ein Druckwächter, der den Druck von Luft (Luftdruck) einstellt, die zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird. Nicht dargestellte Erfassungssignale der Drucksensoren 51 und 52 werden zu einem Steuerelement 50 übertragen. Das Steuerelement 50 steuert den Kompressor 12 und das Druckregulierventil 14, um einen Zuführluftdruck, eine Zuführströmungsrate und dergleichen einzustellen.
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Wasserstoffgas als Brenngas wird von einer Wasserstoffzuführquelle 31 mittels eines Brennstoffzuführwegs 75 zu einem Wasserstoffzuführanschluss 5 des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt. Die Wasserstoffzuführquelle 31 kann zum Beispiel aus einem Hochdruckwasserstoffbehälter, einem Brennstoffreformer, einem Wasserstoffspeicherbehälter oder dergleichen bestehen. Der Brennstoffzuführweg 75 ist mit einem Drucksensor 54 für ein Erfassen des Drucks der Wasserstoffzuführquelle, einem Wasserstoffdruckregulierventil 32 für ein Regulieren des Zuführdrucks des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 20, einem Absperrventil 41, einem Druckentlastungsventil 39, das öffnet, wenn der Druck in dem Brennstoffzuführweg 75 anormal ist, einem Absperrventil 33 und einem Drucksensor 55 für ein Erfassen des Einlassdrucks des Wasserstoffgases versehen. Nicht dargestellte Erfassungssignale der Drucksensoren 54 und 55 werden zu dem Steuerelement 50 zugeführt. Vorzugsweise ist das Wasserstoffdruckregulierventil 32 ein Druckvariabilitätsregulierventil, das einen Druckregulierwert ändern kann. Das Druckvariabilitätsregulierventil ermöglicht eine Zufuhr des Brenngases mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit und auch eine Zufuhr bei einem normalen Druck und einer normalen Strömungsgeschwindigkeit. Im Speziellen wird bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 Brenngas mit einem höheren Druck und einer höheren Geschwindigkeit als während eines normalen Betriebs zugeführt. Zum Beispiel wird Brenngas mit einem hohen Druck und hoher Geschwindigkeit bei einer Rate von 1000 Liter pro Minute oder mehr, bevorzugt 5000 Liter pro Minute oder mehr, oder noch bevorzugter vo 10000 Litern pro Minute oder mehr zugeführt. So wie es hier verwendet wird, bezieht sich der normale Betrieb auf den Zustand, wo die Betätigung bzw. Aktivierung des Brennstoffzellenstapels 20 abgeschlossen ist und das Brennstoffzellensystem normal ist, und wo der Brennstoffzellenstapel 20 Energie erzeugt, die einer angeforderten Energie entspricht. Energie in einem weiten Bereich von geringer Energie bis hoher Energie ist gemäß einer Last (zum Beispiel ein Antriebsmotor in dem Fall eines Fahrzeugs oder eine Forderung eines Fahrers nach Beschleunigung) erfordert, und der Bereich von solch einer erforderten Energie kann als dem normalen Betrieb entsprechend interpretiert werden. Des Weiteren kann der Zuführzustand (Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsrate) von Brenngas oder Oxidationsgas während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20, der dem Bereich der erforderten Energie von der niedrigen Energie zu der hohen Energie entspricht, als der Zuführzustand von Reaktionsgas in dem normalen Betrieb interpretiert werden.
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Als solcher nimmt der Zuführzustand von Brenngas (Reaktionsgas) bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 in der vorliegenden Ausführungsform einen Wert an, der größer als der des Zuführzustands von Reaktionsgas während eines normalen Betriebs ist. Als eine weitere Ausführungsform kann der Zuführzustand von Reaktionsgas, der einem Teil des Bereichs während eines normalen Betriebs entspricht, wo die erforderte Energie höher ist als in dem anderen Teil, als der Zuführzustand von Reaktionsgas bei der Zeit einer Betätigung interpretiert werden. In anderen Worten gesagt, kann Reaktionsgas in dem Zuführzustand von Reaktionsgas nahe der oberen Energiegrenze in dem normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt werden. Als solcher kann der Zuführzustand von Reaktionsgas bei der Zeit einer Betätigung und der Zuführzustand von Reaktionsgas während eines normalen Betriebs in geeigneter Weise gemäß dem eingestuften Wert bzw. Sollwert des Brennstoffzellensystems eingestellt sein.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung ohne Verwendung des Druckvariabilitätsregulierventils umgesetzt werden kann, wie es nachstehend beschrieben ist.
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Wasserstoffgas, das in dem Brennstoffzellenstapel 20 nicht verbraucht wurde, wird zu einem Wasserstoffzirkulationsweg 76 als Wasserstoffabgas abgeleitet, das zu der stromabwärtigen Seite des Absperrventils 41 in den Kraftstoffzuführweg 75 zurückgeführt wird. Der Wasserstoffzirkulationsweg 76 ist mit einem Temperatursensor 63 für ein Erfassen einer Temperatur von Wasserstoffabgas, einem Absperrventil 34 für ein Steuern des Ableitens von Wasserstoffabgas, einem Gas-Flüssigkeitsabscheider 35 für ein Wiedergewinnen von Wasser von Wasserstoffabgas, einem Ablassventil 36 für ein Sammeln des wiedergewonnenen Wassers in einem Behälter, der nicht dargestellt ist, einer Wasserstoffpumpe 37 für ein Druckbeschlagen von Wasserstoffabgas und einem Rückschlagventil 40 versehen. Ein nicht dargestelltes Erfassungssignal des Temperatursensors 63 wird zu dem Steuerelement 50 zugeführt. Das Steuerelement 50 steuert den Betrieb der Wasserstoffpumpe 37, Wasserstoffabgas schließt sich der Strömung von Wasserstoffgas in dem Brennstoffzuführweg 75 an, um zu dem Brennstoffzellenstapel 20 für eine Wiederverwendung zugeführt zu werden. Das Rückschlagventil 40 verhindert, dass Wasserstoffgas in dem Kraftstoffzuführweg 75 rückwärts in den Wasserstoffzirkulationsweg 76 strömt.
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Der Wasserstoffzirkulationsweg 76 (Ableitungsweg) ist mit dem Abgasweg 72 mittels eines Entleerventils 38 durch einen Entleerströmungsweg 77 verbunden. Das Entleerventil 38 ist ein elektromagnetisches Absperrventil, das gemäß einem Befehl von dem Steuerelement 50 aktiviert wird, um Wasserstoffabgas extern freizusetzen (zu entleeren). Ein zeitweiliges Durchführen dieser Entleeroperation kann eine unerwünschte Situation verhindern, wo aufgrund einer wiederholten Zirkulation von Wasserstoffabgas sich der Unreinheitsgrad von Wasserstoff an der Brennstoffelektrodenseite erhöht und somit die Zellenspannung abnimmt. Vorzugsweise ist ein Volumen 30 in der Umgebung eines Ausgangs 6 (Auslassanschluss) des Brennstoffzellenstapels 20 vorgesehen, um Wasserstoffabgas temporär zu speichern. Dieses Volumen 30 kann Wasserstoff wiedergewinnen bzw. aufnehmen, selbst wenn Wasserstoffgas in einer großen Menge bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 eingeleitet wird. Falls das Volumen 30 nicht vorgesehen wird, kann der Aufbau derart sein, dass Wasserstoffgas, das zu dem Brennstoffzellenstapel 20 bei einem hohen Druck zugeführt wird, zu dem Wasserstoffzirkulationsweg 76 geführt und mittels des Entleerventils 38 oder dergleichen abgeleitet wird, wie es erfordert ist.
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Des Weiteren ist bei einer Anschlussöffnung für ein Kühlmittel des Brennstoffzellenstapels 20 ein Kühlweg 74 für ein Zirkulieren des Kühlmittels vorgesehen. Der Kühlweg 74 ist mit einem Temperatursensor 61 für ein Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels, das von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeleitet wird, einem Kühler (Wärmetauscher) 21 für ein Freisetzen von Wärme des Kühlmittels zu der Außenseite, einer Pumpe 22 für ein Druckbeaufschlagen und Zirkulieren lassen des Kühlmittels und einem Temperatursensor 62 für ein Erfassen der Temperatur des Kühlmittels versehen, das zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
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Das Steuerelement 50 empfängt eine Lastanforderung, wie ein Gaspedalsignal eines Fahrzeugs, das nicht dargestellt ist, und Steuerinformation von verschiedenen Sensoren des Brennstoffzellensystems und dergleichen, und steuert die Betriebe der Ventile und Elektromotoren. Das Steuerelement 50 ist mit einem Steuercomputersystem aufgebaut, das nicht dargestellt ist. Das Steuercomputersystem kann ein Beliebiges von bekannten verfügbaren Systemen sein.
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[2. Steuerungsablauf]
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Ein Flüssigkeitsableitungsbetrieb bei der Zeit einer Betätigung bzw. Aktivierung durch das Steuerelement 50 in dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm beschrieben, das in 2 gezeigt ist. Das Steuerelement 50 ist mit einem Steuercomputer aufgebaut, wie vorstehend beschrieben ist, der Betriebe der verschiedenen Teile des Brennstoffzellensystems gemäß einem Steuerprogramm steuert, das nicht gezeigt ist.
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In der ersten Ausführungsform, verwendet der Brennstoffzellenstapel 20 unmittelbar nach der Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 Wasserstoffgas, das in dem System verblieben ist, um Energie zu erzeugen. Dies erzeugt einen Unterdruckzustand in dem Stapel 20. Anschließend wird Wasserstoffgas von der Wasserstoffzuführquelle 31 zugeführt.
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Nach der Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 (Schritt 11) wird zuerst Energie ohne Zufuhr von Wasserstoffgas erzeugt (Schritt 12). Genauer gesagt wird Energie in dem Zustand erzeugt, wo das Absperrventil 33 geschlossen ist. Auf diese Weise wird das Wasserstoffgas, das dem System verblieben ist, verbraucht, um den Unterdruckzustand in dem Brennstoffzellenstapel 20 zu erzeugen. Die auf diese Weise erzeugte Energie wird zu einer Batterie zugeführt, die nicht dargestellt ist, oder für ein Antreiben von Hilfsmaschinen verwendet. Als nächstes wird ein Absinken der Zellenspannung oder ein Unterdruck in dem Brennstoffzellenstapel 20 erfasst (Schritt 13). Das Absinken der Zellenspannung zeigt an, dass nur noch eine geringe Menge von Wasserstoffgas vorhanden ist, die konsumiert werden kann, und somit geht der Prozess weiter zu dem nächsten Schritt ungeachtet davon, ob der Druck innerhalb des Stapels 20 auf einem negativen Niveau ist oder nicht. Sofern ein solches Absinken der Zellenspannung oder ein Unterdruck in dem Brennstoffzellenstapel 20 nicht erfasst wird (Schritt 13: NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt 12 zurück, um den Energieerzeugungsbetrieb fortzuführen.
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Wenn die Zellenspannung verringert ist oder der Druck in dem Brennstoffzellenstapel negativ wird (Schritt 13: JA), wird Wasserstoffgas von der Wasserstoffzuführquelle 31 zugeführt (Schritt 14). Wenn der Druck in dem Brennstoffzellenstapel 20 negativ ist, strömt Wasserstoff, der zu dem Brennstoffzellenstapel 20 eingeleitet wird, mit einer hohen Geschwindigkeit, was eine Entfernung der verbleibenden Flüssigkeit, wie das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser, ermöglicht. Die Art und Weise des Zuführens von Wasserstoffgas ist nicht begrenzt, solange Wasserstoffgas bei einem hohen Druck zugeführt werden kann. Zum Beispiel kann ein Verfahren, das das Druckvariabilitätsregulierventil verwendet, wie vorstehend beschrieben ist, ein Verfahren, das einen nicht dargestellten Umgehungsweg verwendet, der das Wasserstoffdruckregulierventil 32 umgeht, wie später beschrieben wird, ein Verfahren, das eine nicht dargestellte Pumpe für ein Druckbeaufschlagen oder die Zirkulationspumpe 37 verwendet, verwendet werden, um den Unterdruckzustand auszubilden. Des Weiteren können die Prozesse in Schritten 12 bis 14, die vorstehend beschrieben sind, mehrere Male wiederholt werden. Darüber hinaus muss das Volumen 30 nicht notwendigerweise bei der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 vorgesehen sein.
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Nachstehend wird ein Flüssigkeitsableitungsbetrieb bei der Zeit einer Betätigung durch ein Steuerelement 50 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Bezug auf das Flussdiagramm beschrieben, das in 3 gezeigt ist.
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In der zweiten Ausführungsform wird das Druckvariabilitätsregulierventil 32, das vorstehend beschrieben ist, so verwendet, dass unmittelbar nach Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 Wasserstoffgas mit einem höheren Druck als während eines normalen Betriebs zu dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
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Nach einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 (Schritt 21) wird zuerst der Druckregulierwert des Wasserstoffdruckregulierventils auf Hoch eingestellt (Schritt 22). Das Steuerelement 50 führt diese Einstellung aus. Eine Zufuhr von Wasserstoffgas von der Wasserstoffzuführquelle 31 wird begonnen (Schritt 23). Die Zufuhr von Wasserstoffgas wird für eine vorbestimmte Zeitspanne (S24) fortgeführt, um die verbleibende Flüssigkeit zu entfernen, und dann wird das Wasserstoffdruckregulierventil auf einen normalen Wert zurückgestellt (Schritt 25). Auf diese Weise wird Wasserstoffgas mit hohem Druck zu dem Brennstoffzellenstapel 20 eingeleitet, um die verbleibende Flüssigkeit, wie das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser, zu entfernen.
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Nachstehend wird ein Flüssigkeitsableitungsbetrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform beschrieben, die in 4 gezeigt ist, mit Schwerpunkt auf die Unterschiede.
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Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass das Wasserstoffdruckregulierventil 32 kein Druckvariabilitätsregulierventil sondern ein mechanisches Druckregulierventil ist, und darin, dass ein Umgehungsweg 80, der das Wasserstoffdruckregulierventil 32 umgeht, vorgesehen ist, und dass auch ein AN-AUS-Ventil 81 für ein Schalten zu dem Umgehungsweg 80 vorgesehen ist.
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Das mechanische Wasserstoffdruckregulierventil 32 ist zum Beispiel ein Membranventil, das den Wasserstoffzuführdruck zu dem Brennstoffzellenstapel 20 durch ein Gleichgewicht der Druckkraft steuert, die auf beide Seiten der Membran wirkt. Das mechanische Druckregulierventil dieser Art kann eines sein, das den Atmosphärendruck verwendet, oder kann eines sein, das eine Feder oder dergleichen verwendet.
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Der Umgehungsweg 80 ist parallel zu dem Brennstoffzuführweg 75 vorgesehen, so dass er nicht durch das Wasserstoffdruckregulierventil 32 hindurchgeht. Der stromaufwärtige Verbindungspunkt des Umgehungswegs 80 mit dem Brennstoffzuführweg 75 ist bei dem ersten Anschluss des AN-AUS-Ventils 81, das zwischen dem Wasserstoffdruckregulierventil 32 und der Wasserstoffzuführquelle 31 gelegen ist. Der stromabwärtige Verbindungspunkt des Umgehungswegs 80 mit dem Brennstoffzuführweg 75 ist zwischen dem Wasserstoffdruckregulierventil 32 und dem Entlastungsventil 39 gelegen. Die Positionen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Verbindungspunkte sind jedoch nicht auf diese begrenzt.
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Das AN-AUS-Ventil 81 ist zum Beispiel ein elektromagnetisches Dreiwegeventil, dessen offener/geschlossener Zustand durch das Steuerelement 50 gesteuert wird. Der zweite Anschluss an der Einlassseite des AN-AUS-Ventils 81 ist mit der Seite des Brennstoffzuführwegs 75 bei der Wasserstoffzuführquelle 31 verbunden, während der dritte Anschluss des AN-AUS-Ventils 81 mit der Seite des Brennstoffzuführwegs 75 bei dem Wasserstoffdruckregulierventil 32 verbunden ist. Durch Einstellen des AN-AUS-Ventils 81 zu dem offenen Zustand oder dem geschlossenen Zustand, kann ein Zuführweg für das Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zwischen dem Wasserstoffdruckregulierventil 32 und dem Umgehungsweg 80 geschaltet werden. Es sei angemerkt, dass anstelle des vorstehend beschriebenen Aufbaus ein AN-AUS-Ventil 81, das zwei Anschlüsse hat, an dem Umgehungsweg 80 vorgesehen sein kann.
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Um Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 20 mit hoher Geschwindigkeit zuführen, um die verbleibende Flüssigkeit, wie das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser, innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 zu entfernen, kann das Steuerelement 50 die folgende Steuerung ausführen. Bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 kann es das AN-AUS-Ventil 81 zu der Umgehungswegseite schalten, um Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 20 von dem Umgehungsweg 80 zuzuführen, und nicht über das Wasserstoffdruckregulierventil 32. Andererseits kann es während eines normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels 20 das AN-AUS-Ventil 81 zu der Normalposition schalten, um Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 20 mittels des Wasserstoffdruckregulierventils 32 zuzuführen, und nicht durch den Umgehungsweg 80 hindurch. Es sei angemerkt, dass in dem Fall, wo das AN-AUS-Ventil 81, das zwei Anschlüsse hat, an dem Umgehungsweg 80 vorgesehen ist, wenn das AN-AUS-Ventil 81 geschlossen ist (während eines normalen Betriebs), Wasserstoff in dem Zustand ausgegeben wird, wo der Primärdruck auf einen vorgeschriebenen zweiten Druck durch das Wasserstoffdruckregulierventil 32 verringert ist. Andererseits, wenn das AN-AUS-Ventil 81 an dem Umgehungsweg 80 offen ist, zum Beispiel bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20, wird Wasserstoff zu der stromabwärtigen Seite durch den Umgehungsweg 81 hindurch in dem Zustand ausgegeben, wo der Primärdruck nicht reguliert (verringert) ist. Als solches wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 ein Strömungswegwiderstand, und somit ist der Wasserstoff, der durch das Wasserstoffdruckregulierventil 32 hindurchströmt, von einer geringeren Menge als der Wasserstoff, der durch den Umgehungsweg 80 hindurchströmt.
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Obwohl Brenngas (Reaktionsgas) an der Anodenseite beispielhaft in jeder der vorstehenden Ausführungsform beschrieben worden ist, gilt das Gleiche auch für die Kathodenseite. Das heißt, an der Kathodenseite kann bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 Oxidationsgas (Reaktionsgas) zu dem Brennstoffzellenstapel mit einer höheren Geschwindigkeit als die Zuführmenge des Oxidationsgases in dem normalen Betrieb zugeführt werden. Als eine Folge kann das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser an der Kathodenseite zu der Außenseite abgeleitet werden. Vorzugsweise wird bei der Zeit einer Betätigung des Brennstoffzellenstapels 20 Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 20 mit einer höheren Geschwindigkeit als die Gaszuführmenge während des normalen Betriebs zugeführt, und zwar gleichzeitig an der Anodenseite und der Kathodenseite. Dies kann den Transmembrandruckunterschied zwischen der Anode und der Kathode verringern. Auf diese Weise können das erzeugte Wasser und das Taukondensationswasser zu der Außenseite abgeleitet werden, während Schäden an der Elektrolytmembran in Einheitszellen innerhalb des Stapels 20 unterdrückt bzw. verhindert werden.
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Es sei angemerkt, dass die Zufuhr von Hochdruckwasserstoffgas durch Erfassen des Drucks im Inneren des Brennstoffzellenstapels 20, des Drucks des abgeleiteten Gases, der Strömungsrate und dergleichen gestoppt werden kann.
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Des Weiteren kann Hochdruckwasserstoffgas, wie vorstehend beschrieben ist, mehrere Male eingeleitet werden.
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Obwohl das Volumen 30 bei der stromabwärtigen Seite in dem Brennstoffzellenstapel 20 in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen ist, muss es nicht notwendigerweise vorgesehen sein.
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Jede Ausführungsform, die vorstehend beschrieben ist, kann alleine oder in Kombination verwendet werden. Des Weiteren kann ein Einleiten von Hochdruckwasserstoffgas mehrere Male ausgeführt werden.
