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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das Brennstoffzellen
beinhaltet, die Zufuhren von vorbestimmten Gasen aufnehmen, um eine
elektrische Leistung zu erzeugen. Insbesondere bezieht sich die
Erfindung auf eine Befeuchtungssteuerung mit dem Wassergehalt, der
in einem Abgas aus den Brennstoffzellen enthalten ist.
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Technischer Hintergrund
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In
einem Brennstoffzellensystem, das Zufuhren von Wasserstoffgas und
Luft als Reaktionsgase aufnimmt und elektrische Leistung durch eine
elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit dem in der Luft enthaltenen
Sauerstoff erzeugt, ist eine Befeuchtung der den Brennstoffzellen
zugeführten
Luft erforderlich, um eine ausreichend hohe Leistungserzeugungseffizienz
sicherzustellen. In einem Vorschlag für ein Verfahren, das auf das
Brennstoffzellensystem angewendet wird, wird einen Befeuchter verwendet,
um die den Brennstoffzellen zugeführte Luft mit dem Wassergehalt
zu befeuchten, der in einem auf einer Sauerstoffelektrode durch
die elektrochemische Reaktion erzeugten Abgas enthalten ist (siehe
z. B.
JP-A-2002-75418 ).
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Das
in der zitierten Patentschrift offenbarte Brennstoffzellensystem
bewirkt, dass die durch die Brennstoffzellen gelangende Luft (die
nachher als das Abgas bezeichnet wird), über den Befeuchter nach außen abgeführt wird.
Dieses Brennstoffzellensystem weist einen Druckregler, der zwischen
den Brennstoffzellen und dem Befeuchter angeordnet ist (d. h. stromauf
des Befeuchters angeordnet ist), im Strömungsweg des Abgases und einen
zweiten Druckregler, der stromabwärts des Befeuchters angeordnet
ist, auf. Als Reaktion auf einen geringen Feuchtigkeitswert der
Luft, die den Brennstoffzel len zugeführt wird, wird die Öffnung des
zweiten Druckreglers vergrößert, um
den Innendruck des Befeuchters zu senken. Von einer solchen Steuerung
wird erwartet, dass sie den in dem Abgas enthaltenen Wassergehalt
zu Wasserdampf verdampfen lässt,
um die Befeuchtungseffizienz des Befeuchters zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
Verfahren des Stands der Technik berücksichtigt jedoch nicht das
nach außerhalb
der Brennstoffzellen abgeführte
Abgas und kann somit eine unerwünschte
Verschlechterung der Befeuchtungsleistung des Befeuchters gemäß der Menge
an nach außen
abgeführtem
Abgas bewirken. Der Wassergehalt im Abgas wird durch den Befeuchter
nicht gänzlich
genutzt, doch ein Teil des Wassergehalts wird mit der Luft als Abgas
nach außen
abgeführt. Der
Wassergehalt, der im Abgas beinhaltet ist, stellt ein Wasser dar,
das im Verlauf der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzellen
erzeugt wird, und hängt
von der Menge der Leistungserzeugung ab. Die höhere Strömungsrate der Luft, die den
Brennstoffzellen für
die erhöhte
Leistungserzeugungsmenge zugeführt
wird, führt
zu einer höheren
Abgasströmungsrate.
Unter solchen Umständen
kann eine Erhöhung
der Dampfmenge nur den nach außen
als Abgas abgeführte
Wassergehalt erhöhen.
Dadurch kann der für
die Befeuchtung verwendete Wassergehalt abnehmen und die Befeuchtungsleistung
des Befeuchters verringert werden.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, das potentielle Problem des
Verfahrens des Stands der Technik zu berücksichtigen, durch das die
Befeuchtungsleistung des Befeuchters verringert werden kann, und
ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das eine adäquate Befeuchtungssteuerung
sicherstellt.
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Um
zumindest einen Teil der vorstehenden und weiteren verwandten Aufgaben
zu lösen,
ist die vorliegende Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet,
das Brennstoffzellen beinhaltet, die Zufuhren von vorbestimmten
Gasen aufnehmen, um eine elektrische Leistung zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem
der Erfindung beinhaltet: einen Befeuchter, der in einem Strömungsweg
eines Abgases aus den Brennstoff zellen angeordnet ist und zumindest
eines der vorbestimmten Gase, die den Brennstoffzellen zugeführt werden,
mit einem Wassergehalt befeuchtet, der in dem von den Brennstoffzellen abgeführten Abgas
beinhaltet ist; ein Abgaswassergehalt-Erfassungsmodul, das einen Abgaswassergehalt
erfasst, der in dem Abgas enthalten ist und stromabwärts des
Befeuchters abgeführt
wird; und ein Regulierungsmodul, das als Reaktion auf eine Erfassung,
dass der Abgaswassergehalt einen voreingestellten Wert nicht unterschreitet,
den Abgaswassergehalt, der stromabwärts des Befeuchters abgeführt wird,
einschränkt.
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Das
Brennstoffzellensystem der Erfindung erfasst den Abgaswassergehalt,
der stromabwärts des
Befeuchters abgeführt
wird, und schränkt
den Abgaswassergehalt als Reaktion auf die Erfassung, dass der Abgaswassergehalt
einen voreingestellten Wert nicht unterschreitet, ein. Das erfindungsgemäße Verfahren
steuert den Wassergehalt, der stromabwärts des Befeuchters abgeführt wird,
und ermöglicht,
dass ein größerer Anteil
des in dem Abgas enthaltenen Wassergehalts für die Befeuchtung des zugeführten Gases
im Befeuchter verwendet werden kann. Diese Anordnung verhindert
wünschenswerter Weise
eine Verringerung der Befeuchtungseffizienz des Befeuchters und
stellt somit eine adäquate
Befeuchtung durch den Befeuchter sicher.
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In
einer bevorzugten Anwendung des Brennstoffzellensystems der Erfindung
erfasst das Abgaswassergehalt-Erfassungsmodul den Abgaswassergehalt,
der in dem Abgaswasser beinhaltet ist und stromabwärts des
Befeuchters abgeführt
wird, durch Messung einer physikalischen Größe, die sich auf den Abgaswassergehalt
auswirkt.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem dieser Anwendung wird die physikalische
Größe, die
sich auf den Abgaswassergehalt auswirkt, gemessen und der Abgaswassergehalt
basierend auf der gemessenen physikalischen Größe erfasst. Der Abgaswassergehalt
kann indirekt aus der physikalischen Größe hergeleitet werden.
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Die
physikalische Größe kann
beispielsweise ein Atmosphärendruck,
eine Auslasstemperatur des Abgases aus den Brennstoffzellen, oder
eine Strömungsrate
des Ab gases aus den Brennstoffzellen sein. Die in der Erfindung
verwendete physikalische Größe ist jedoch
nicht auf diese Beispiele beschränkt,
sondern kann eine beliebige physikalische Größe sein, die sich auf den Abgaswassergehalt
auswirkt.
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Wenn
die physikalische Größe der Atmosphärendruck
ist, wird der Abgaswassergehalt, der den voreingestellten Wert nicht
unterschreitet, unter der Bedingung erfasst, dass der gemessene
Atmosphärendruck
einen voreingestellten Referenzdruck nicht unterschreitet. Im Zustand
des geringen Atmosphärendrucks
rechnet man damit, dass der Innendruck des Befeuchters abnimmt und
der Abgaswassergehalt auf den voreingestellten Wert ansteigt oder diesen überschreitet.
In diesem Fall steuert das Brennstoffzellensystem den stromabwärts des
Befeuchters abgeführten
Abgaswassergehalt. Diese Anordnung stellt eine adäquate Befeuchtung
während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems sogar in einer Umgebung
mit niedrigen Atmosphärendrucks
sicher.
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Wenn
die physikalische Größe die Auslasstemperatur
des Abgases ist, wird der Abgaswassergehalt, der den voreingestellten
Wert nicht unterschreitet, unter der Bedingung erfasst, dass die
gemessene Auslasstemperatur des Abgases höher ist als eine voreingestellte
Referenztemperatur. Im hohen Temperaturzustand des aus den Brennstoffzellen
abgeführten
Abgases ist damit zu rechnen, dass der im Abgas enthaltene Wassergehalt
erhöht
wird und der Abgaswassergehalt den voreingestellten Wert erreicht
oder diesen überschreitet.
In diesem Fall steuert das Brennstoffzellensystem den stromabwärts des
Befeuchters abgeführten
Wassergehalt. Bei dieser Anordnung wird die im Allgemeinen gemessene
Temperatur verwendet, um den Abgaswassergehalt ohne Weiteres erfassen
zu können.
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Wenn
die physikalische Größe die Strömungsrate
des Abgases ist, wird unter der Bedingung, dass die gemessene Strömungsrate
des Abgases einen voreingestellten Referenzwert überschreitet, erfasst, dass
der Abgaswassergehalt den voreingestellten Wert nicht unterschreitet.
Die hohe Strömungsrate
des Abgases führt
zu einer hohen Strömungsgeschwindigkeit
des durch den Befeuchter gelangenden Abgases und resultiert in der
unzureichenden Befeuchtung im Befeuchter. Im Zustand der hohen Strömungsrate des
Abgases wird damit gerechnet, dass der Abgaswassergehalt auf den
voreingestellten Wert erhöht
wird oder diesen überschreitet.
In diesem Fall steuert das Brennstoffzellensystem den Wassergehalt,
der stromabwärts
des Befeuchters abgeführt
wird. Diese Anordnung stellte eine adäquate Befeuchtung durch den
Befeuchter sicher.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der Erfindung weist das Regulierungsmodul
einen stromabwärtigen
Druckregler auf, der stromabwärts
des Befeuchters im Strömungsweg
des Abgases angeordnet ist, um den Druck des Abgases zu regulieren
und dementsprechend den Innendruck des zugeführten Gases in den Brennstoffzellen
zu regulieren. Das Regulierungsmodul aktiviert den stromabwärtigen Druckregler,
um eine Druckregulierung zur Einschränkung des Abgaswassergehalts,
der stromabwärts
des Befeuchters abgeführt
wird, auszuführen.
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In
dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform wird die Druckregulierung
durch den stromabwärtigen
Druckregler ausgeführt,
um die Strömungsrate
des Abgaswassergehalts einzuschränken.
Diese Anordnung stellt eine verhältnismäßig einfache
Systemkonstruktion sicher, indem der Druckreglers einfach stromabwärts des
Befeuchters angeordnet wird.
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Im
Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform weist das Regulierungsmodul
ferner einen stromauf befindlichen Druckregler auf, der stromauf des
Befeuchters im Strömungsweg
des Abgases angeordnet ist, um den Druck des Abgases zu regulieren
und dementsprechend den Innendruck des zugeführten Gases in den Brennstoffzellen
zu regulieren. Anstelle der Druckregulierung durch die stromabwärtige Druckregulierung,
aktiviert das Regulierungsmodul, als Reaktion auf die Erfassung,
dass der Abgaswassergehalt den voreingestellten Wert unterschreitet,
den stromauf befindlichen Druckregler, um die Druckregulierung auszuführen.
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In
dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform mit dieser zusätzlichen
Struktur schränkt das
Regulierungsmodul im Zustand des geringen Abgaswassergehalts die
Strömungsrate
des Abgaswassergehalts, der stromabwärts des Befeuchters abgeführt wird,
nicht ein, sondern führt
die Druckregulierung durch den stromauf befindlichen Druckregler
aus. Die Druckregulierung durch den stromauf befindlichen Druckregler,
der näher
an den Brennstoffzellen angeordnet ist, verhindert in wünschenswerter Weise
eine Reaktionsverzögerung
und stellt eine gute Steuerbarkeit sicher.
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In
einer bevorzugten Struktur der vorstehenden Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem
ferner ein Befeuchtungsanforderungs-Schätzungsmodul auf, das eine Befeuchtungsanforderung schätzt, die
einem Zustand einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzellen
entspricht. Wenn die geschätzte
Befeuchtungsanforderung einen spezifizierten Wert nicht überschreitet,
aktiviert das Regulierungsmodul, ungeachtet einer Erfassung, dass
der Abgaswassergehalt den voreingestellten Wert unterschreitet oder
nicht unterschreitet, den stromauf befindlichen Druckregler, um
die Druckregulierung auszuführen.
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In
dem Brennstoffzellensystem dieser Struktur wird als Reaktion auf
eine geringe Befeuchtungsanforderung der stromauf befindliche Druckregler
aktiviert, um die Druckregulierung auszuführen. Selbst im Fall einer
Erhöhung
des Abgaswassergehalts auf oder über
den voreingestellten Wert, wenn die Befeuchtungsanforderung verhältnismäßig gering
ist, wird die Druckregulierung durch den stromauf befindlichen Druckregler
ausgeführt,
wobei die Priorität
auf der Steuerbarkeit gegenüber
der Befeuchtungseffizienz des Befeuchters ruht. Diese Anordnung
stellt eine adäquate
Befeuchtung entsprechend den Anforderungen sicher.
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Es
besteht ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren, das dem vorstehend
beschriebenen Brennstoffzellensystem entspricht. In dem Brennstoffzellensystem
mit Brennstoffzellen, die Zufuhren von vorbestimmten Gasen aufnehmen,
um elektrische Leistung zu erzeugen, und einem Befeuchter, der zumindest
eines der vorbestimmten Gase, die den Brennstoffzellen zugeführt werden,
mit dem in dem von den Brennstoffzellen abgeführten Abgas enthaltenen Wassergehalt
befeuchtet, erfasst das Betriebsverfahren einen Abgaswassergehalt,
der in dem Abgas enthalten ist und stromabwärts des Befeuchters abgeführt wird,
und schränkt,
als Reaktion auf eine Erfassung des Abgaswassergehalts, den stromabwärts des
Befeuchters abgeführten
Abgaswassergehalt auf einen Wert ein, der einen voreingestellten
Wert nicht unterschreitet.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich zudem auf ein weiteres Brennstoffzellensystem,
das Brennstoffzellen beinhaltet, die Zufuhren von vorbestimmten
Gasen aufnehmen, um elektrische Leistung zu erzeugen, sowie auf
ein entsprechendes Brennstoffzellenbetriebsverfahren. Dieses Brennstoffzellensystem
beinhaltet ferner: einen Befeuchter, der im Strömungsweg eines Abgases von
den Brennstoffzelle angeordnet ist und zumindest eines der vorbestimmten
Gase, die den Brennstoffzellen zugeführt werden, mit dem in dem
von den Brennstoffzellen abgeführten
Abgas enthaltenen Wassergehalt befeuchtet; ein Entscheidungsmodul,
das eine Erfüllung
oder Nichterfüllung
einer Bedingung zum Erhöhen
des Abgaswassergehalts, der in dem Abgas enthalten ist und stomabwärts des
Befeuchters abgeführt
wird, basierend auf einer Zustandsgröße des Abgases identifiziert;
und ein Druckerhöhungsmodul,
das bei Erfüllung
der Bedingugn zum Erhöhen
des Abgaswassergehalts einen Druck des Abgases in dem Befeuchter
erhöht,
um eine Befeuchtungseffizienz des Befeuchters zu verbessern.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems,
das die Erfindung verkörpert;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Druckregulierungsvorgang einer ersten
Ausführungsform
darstellt, der in dem Brennstoffzellensystem der Erfindung ausgeführt wird;
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3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Druckregulierungsvorgang einer zweiten
Ausführungsform
darstellt, der in dem Brennstoffzellensystem der Erfindung ausgeführt wird;
und
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4 ist
ein Flussdiagramm, das einen modifizierten Druckregulierungsvorgang,
der eine Entscheidung beinhaltet, die auf einer Befeuchtungsanforderung
basiert, zusätzlich
zu dem Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform darstellt.
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Beste Modi zur Ausführung der
Erfindung
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Nachstehend
werden einige Modi zum Ausführen
der Erfindung in der nachstehenden Reihenfolge als bevorzugte Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben:
- A. Allgemeine Konfiguration
eines Brennstoffzellensystems
- B. Druckregulierungsvorgang in einer ersten Ausführungsform
- C. Druckregulierungsvorgang in einer zweiten Ausführungsform
- D. Modifizierungen
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A. Allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems
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1 ist
eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10,
das die Erfindung verkörpert.
Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Stapel von
Brennstoffzellen oder einen Brennstoffzellenstapel 20,
der Zufuhren von Wasserstoffgas und Luft als Reaktionsgase aufnimmt
und eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion
von Wasserstoff mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff erzeugt.
Das Brennstoffzellensystem 10 ist an einem Fahrzeug (nicht
gezeigt) montiert, um als Antriebsquelle zum Antreiben des Fahrzeugs
mit der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten elektrischen
Leistung betrieben zu werden. Wie dargestellt, beinhaltet das Brennstoffzellensystem 10,
neben dem Brennstoffzellenstapel 20, ein Wasserstoffströmungssystem 30,
um dem Brennstoffzellenstapel 20 das Wasserstoffgas zuzuführen, ein
Luftströmungssystem 30,
um dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft zuzuführen, und
eine Steuerungseinheit 120, um die Bestandteile des Brennstoffzellensystems 10 zu
steuern.
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Der
Brennstoffzellenstapel 20 weist eine Anzahl von Zelleneinheiten 21 auf,
die übereinander
geschichtet sind und im Einzelnen eine Wasserstoffelektrode (Anode)
und eine Sauerstoffelektrode (Kathode) aufweisen, und ein Paar von
Endplatten 28 und 29, die an den jeweiligen Enden
der geschichteten Zelleneinheit 21 positioniert sind. Jede
Zelleneinheit 21 weist einen Separator, eine Anode, eine
Elektrolytmembran, eine Kathode und einen anderen Separator auf,
die in dieser Reihenfolge jeweils übereinander gelegt sind. Die
Separatoren weisen jeweils einen Strömungsweg des Wasserstoffgases
und einen Strömungsweg
der Luft auf. Die Strömungswege eines
jeweiligen Fluids, die in den jeweiligen Zelleneinheiten 21 ausgebildet
sind, werden zusammengeführt
und sind mit einer Fluid-Einlassöffnung,
die auf der Endplatte 28 angeordnet ist, verbunden. Das Wasserstoffgas
und die Luft, die von außerhalb
des Brennstoffzellenstapels 20 den jeweiligen Einlassöffnungen
zugeführt
werden, können
somit reibungslos in die jeweiligen Zelleneinheiten 21 strömen. Die Endplatte 28 weist
zudem eine Einlassöffnung
für ein Kühlmedium
auf, das von außerhalb
des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt wird, um den Brennstoffzellenstapel 20 abzukühlen.
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Der
den Anoden der jeweiligen Zelleneinheiten 21 zugeführte Wasserstoff
wird durch Katalyse in den Katalysatorschichten der jeweiligen Anoden
in ein Wasserstoffion umgewandelt. Das Wasserstoffion gelangt durch
die Elektrolytmembranen zu den Kathoden, um mit dem in der Luft
enthaltenen Sauerstoff, der den Kathoden zugeführt wird, zu reagieren. Die
Zelleneinheiten 21 erzeugen durch diese elektrochemische
Reaktion eine elektrische Leistung. Der Brennstoffzellenstapel 20 weist
eine Mehrzahl von solchen Zelleneinheiten 21 auf, die miteinander
seriell verbunden sind, um eine hohe elektrische Leistung abzugeben.
In dem Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform
handelt es sich bei den verwendeten Elektrolytmembranen um Festpolymerelektrolyt-Membranen,
die in einem vorbestimmten Bereich einer feuchten Umgebung eine
hohe Betriebsleistung aufweisen.
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Das
Wasserstoffströmungssystem 30 beinhaltet
einen Wasserstofftank 31 zur Speicherung eines unter hohem
Druck stehenden Wasserstoffgases, eine Wasserstoff zirkulationspumpe 32 und
Ventile (nicht gezeigt). Nach der Anpassung des Drucks und der Strömungsrate
mittels der Ventile wird das Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt. Der
Wasserstoffgehalt im Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird,
wird vorwiegend durch die vorstehende elektrochemische Reaktion
verbraucht, kann aber auch teilweise nicht verbraucht und vom Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt werden.
Die Wasserstoffzirkulationspumpe 32 führt das von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführte Wasserstoffgas
dem Brennstoffzellenstapel 20 erneut zu, damit der durch
die elektrochemische Reaktion unverbrauchte und vom Brennstoffzellenstapel 20 abgeführte Wasserstoffgehalt
effektiv genutzt wird. Das dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte Wasserstoffgas
ist nicht auf die Zufuhr aus dem Speicher im Wasserstofftank 31 beschränkt. In
einem modifizierten System wird ein Brennstoff wie Methan oder Methanol
reformiert, um Wasserstoff zu erzeugen, der dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird.
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Das
Luftströmungssystem 40 weist
vorwiegend eine Zuführleitung
auf, um dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft zuzuführen, und
eine Abgasleitung, um die von dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmende Luft
einem Abgassystem 80 zuzuführen.
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Die
Zuführleitung
weist einen Atmosphärendrucksensor 47 mit
einer eingebauten Halbleitermessanzeige, eine Luftreinigungseinrichtung 41 zum
Entfernen von Schmutz und Staub in der Luft, einen Heißdraht-Luftströmungsmesser 42,
einen Luftkompressor 43, der als Antriebsquelle einen Elektromotor beinhaltet,
einen Zwischenkühler 44 zum
Abkühlen der
Luft, um die Luftdichte zu erhöhen,
einen Befeuchter 48 zum Befeuchten der zugeführten Luft
und Zuführleitungen 45 und 46 zum
Verbinden dieser Elemente auf. Der Atmosphärendrucksensor 47,
die Luftreinigungseinrichtung 41, der Luftströmungsmesser 42,
der Luftkompressor 43, der Zwischenkühler 44 und der Befeuchter 48 sind
in dieser Reihenfolge entlang der Strömung der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet.
Die Außenluft
wird durch den Betrieb des Luftkompressors 43 eingelassen
und dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
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Die
durch den Betrieb des Luftkompressors 43 eingelassene Außenluft
wird durch die Luftreinigungseinrichtung 41 gereinigt,
gelangt durch den Luftströmungsmesser 42,
wird durch den Luftkompressor 43 komprimiert, durch den
Zwischenkühler 44 gekühlt und
durch den Befeuchter 48 befeuchtet. Die befeuchtete Luft
strömt
dann durch die Zuführleitung 46,
die mit der Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden
ist, um den Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt zu werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform ist der verwendete
Befeuchter 48 eine Hohlfasermembran-Befeuchtungsvorrichtung.
Der Befeuchter 48 weist mehrere Hohlfasermembranen auf.
Ein getrocknetes Gas strömt
außerhalb
der Hohlfasermembranen (wobei diese Seite als Primärseite bezeichnet
wird), während
ein feuchtes Gas innerhalb der Hohlfasermembranen strömt (wobei
diese Seite als Sekundärseite
bezeichnet wird). Das getrocknete Gas auf der Primärseite wird
dementsprechend mit dem feuchten Gas auf der Sekundärseite befeuchtet.
Jede Hohlfasermembran weist mehrere Mikrokapillaren auf, die von
außen
nach innen führen.
Der Dampf im auf der Sekundärseite
strömenden
feuchten Gas wird durch Kapillaranziehung aus dem Wassergehalt gesogen.
Der heraus gesogene Wassergehalt wird der Strömung des getrockneten Gases
auf der Primärseite
zugeführt.
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Im
Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform ist die Primärseite des
Befeuchters 48 auf der Zuführleitung des Luftströmungssystems 40 angeordnet,
wohingegen die Sekundärseite
des Befeuchters 48 auf der Abgasleitung angeordnet ist.
Die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmende Luft
enthält
Dampf als den auf den Kathoden durch die elektrochemische Reaktion
erzeugten Wassergehalt und befindet sich somit in einem feuchten
Zustand. Die im feuchten Zustand befindliche, ausströmende Luft
wird verwendet, um die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführte Luft
zu befeuchten.
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Auf
der Zuführleitung
des Luftströmungssystems 40 misst
der Atmosphärendrucksensor 47 einen
Druck P1 als den Atmosphärendruck
der Außenluft,
und der Luftströmungsmesser 42 misst
eine Strömungsrate
,q' der Luft. Der
gemessene Druck P1 und die Strömungsrate
,q' werden an die
Steuerungseinheit 120 ausgegeben und zur Steuerung der
Betriebsabläufe
des Brennstoffzellensystems 10 verwendet, beispielsweise
zur Regulierung der Elektromotordrehzahl des Luftkompressors 43,
um die Luftzufuhr entsprechend einer Leistungserzeugungsanforderung
anzupassen.
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Die
Abgasleitung weist einen Temperatursensor 55 mit einem
eingebauten Thermistor, einen Halbleiter-Drucksensor 56,
einen ersten Druckregler 50 zum Regulieren des Drucks durch
die Ventilöffnung,
den Befeuchter 48 (die Sekundärseite), einen zweiten Druckregler 58 der
gleichen Struktur wie der des ersten Druckreglers 50 und
Abgasleitungen 51 und 52 zum Verbinden dieser
Elemente auf. Der Temperatursensor 55, der Drucksensor 56,
der erste Druckregler 50, der Befeuchter 48 und
der zweite Druckregler 58 sind in dieser Reihenfolge entlang
der Strömung
der Luft, die vom Brennstoffzellenstapel 20 ausströmt, angeordnet.
Die Luft, die vom Brennstoffzellenstapel 20 ausströmt, strömt durch
die Abgasleitungen 51 und 52 und wird nach außen abgeführt.
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Die
beiden Druckregler 50 und 58, die auf der Abgasleitung
angeordnet sind, regulieren den Druck des Luft am Auslass des Brennstoffzellenstapels 20 und
passen dementsprechend den Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird,
an einen vorbestimmten Bereich an. Die Regulierung des Auslassdrucks
(Auslassdruckregulierung) verhindert effektiv, dass eine übermäßige Last auf
die Elektrolytmembranen im Brennstoffzellenstapel 20 ausgeübt wird,
und ermöglicht
die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 20 mit dem adäquaten Druckwert.
Die Druckregler 50 und 58 weisen jeweils ein Tellerventilelement
auf, das hin- und herbewegt wird, um die Ventilöffnung anzupassen und dementsprechend
den Druck zu regulieren. Die Steuerungseinheit 120 steuert
den Drehwinkel eines Ansteuerungsmotors für das Tellerventilelement,
um die Ventilöffnung
anzupassen.
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Auf
der Abgasleitung des Luftströmungssystems 40 misst
der Temperatursensor 55 eine Temperatur T der Luft, die
aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmt, und
der Drucksensor 56 misst einen Druck P2 der Luft, die aus
dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmt. Die gemessene Temperatur
T und der Druck P2 werden an die Steuerungseinheit 120 abgegeben
und zur Steuerung der Betriebsabläufe des Brenn stoffzellensystems 10 verwendet,
insbesondere für
einen Druckregulierungsvorgang, um eine Befeuchtung der zugeführten Luft
durch den Befeuchter 48 zu optimieren. Der Druckregulierungsvorgang
bezieht sich in diesem Zusammenhang darauf, dass die Auslassdruckregulierung
durch einen der beiden Druckregler 50 und 58 entsprechend
den voreingestellten Bedingungen ausgeführt wird. Bei der Auslassdruckregulierung
durch den zweiten Druckregler 58 stromabwärts des
Befeuchters 48 wird der Innendruck des Befeuchters 48 auf
den vorbestimmten Bereich reguliert, um die Strömungsrate der Luft anzupassen,
die durch den Befeuchter 48 gelangt und nach außen abgeführt wird.
Eine Anpassung der Strömungsrate
der Luft, die nach außen
abgeführt wird,
verbessert die Befeuchtungsleistung des Befeuchters 48.
Eine ausführlichere
Beschreibung des Druckregulierungsvorgangs erfolgt später.
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Die
Steuerungseinheit 120 beinhaltet eine CPU, einen ROM, einen
RAM, einen Zeitgeber und Eingangs- und Ausgangs-Ports. Ein Verarbeitungsprogramm
für die
Druckregulierung sowie eine Vielfalt an anderen Programmen zum Steuern
der Betriebsabläufe
des gesamten Brennstoffzellensystems 10 sind im ROM gespeichert.
Die CPU lädt
diese Programme auf den RAM und führt die Verarbeitung gemäß den Programmen
aus. Der Eingangs-Port und der Ausgangs-Port sind jeweils mit verschiedenen Sensoren
und verschiedenen Stellgliedern verbunden. Die Steuerungseinheit 120 empfängt Signale von
den verschiedenen Sensoren, identifiziert die Antriebsbedingungen
des Fahrzeugs und steuert die verschiedenen Stellglieder.
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Die
Steuerungseinheit 120 empfängt Eingangssignale von den
verschiedenen Sensoren, beispielsweise den Druck P1, den Druck P2,
die Temperatur T, die Luftströmungsrate „q", einen Ausgangsstrom
A, einen Fahrpedalverstellweg θ und
eine Fahrzeuggeschwindigkeit V vom Atmosphärendrucksensor 47,
dem Drucksensor 56, dem Temperatursensor 55, dem
Luftströmungsmesser 42,
einem Amperemeter 95, das in dem (später beschriebenen) Abgabesystem 90 beinhaltet
ist, einem Fahrpedalpositionssensor (nicht gezeigt) und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor
(nicht gezeigt). Die Steuerungseinheit 120 reguliert dann
den Luftkompressor 43, den ersten Druckregler 50,
den zweiten Druckregler 58, die Wasserstoffzirkulationspumpe 32 und eine
Pumpe 72, die in dem Kühlsystem 70 (das
später
beschrieben wird) enthalten ist, um das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Abgabeanforderung (Leistungserzeugungsanforderung)
anzusteuern.
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Im
Brennstoffzellensystem 10 dieser Konfiguration ist der
Brennstoffzellenstapel 20 mit dem Kühlsystem 70, dem Abgassystem 80 und
dem Abgabesystem 90 sowie dem Wasserstoffströmungssystem 30 und
dem Luftströmungssystem 40 verbunden.
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Das
Kühlsystem 70 beinhaltet
einen Kühler 71,
die Pumpe 72 und Leitungen zum Verbinden dieser Elemente
und zum Verbinden mit der Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20.
Die elektrochemische Reaktion, die sich zuvor im Brennstoffzellenstapel 20 ereignet
hat, ist eine exotherme Reaktion, um die Innentemperatur des Brennstoffzellenstapels 20 zu
erhöhen.
Eine Strömung
von Kühlwasser
(Kühlmedium),
das in den Brennstoffzellenstapel 20 eingeführt wird,
um den Temperaturanstieg zu verhindern, wird durch den Kühler 71 abgekühlt und
durch die Pumpe 72 zirkuliert.
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Ein
primäres
Element des Abgassystems 80 ist ein Schalldämpfer 81.
Die durch die Abgasleitung 52 im Luftströmungssystem 40 strömende Luft
wird nach außen über den
Schalldämpfer 81 abgeführt. Ein
in der Luft enthaltender Stickstoff kann durch die Elektrolytmembranen
an die Anoden übertragen
werden und durch die Zirkulation des Wasserstoffgases im Wasserstoffströmungssystem 30 konzentriert
werden. Das Abgassystem 80 ist zudem mit dem Wasserstoffströmungssystem 30 verbunden,
obwohl dies im Speziellen nicht dargestellt ist. Der konzentrierte Stickstoff
wird mit der Luft verdünnt
und zu voreingestellten Steuerzeitpunkt nach außen abgeführt.
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Das
Abgabesystem 90 beinhaltet einen Inverter 90,
einen Antriebsmotor 92 des Fahrzeugs, einen Gleichstromwandler 93 und
eine Sekundärbatterie 94.
Die elektrische Leistung, die durch die elektrochemische Reaktion
des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Wasserstoffgases und
der Luft erzeugt wird, wird über
den Inverter 91 verwendet, um den Antriebsmotor 92 des
Fahrzeugs zu betätigen. Eine übermäßige elektrische
Leistung, die während des
Fahrbetriebs bei Reisegeschwindigkeit oder bei Ver langsamung erzeugt
wird, wird durch den als Generator funktionierenden Elektromotor 92 regeneriert und
in der Sekundärbatterie 94 über den
Gleichstromwandler 93 akkumuliert.
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Im
Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform bilden der Atmosphärendrucksensor 47, der
Temperatursensor 55, der Luftströmungsmesser 42 (der
Luftkompressor 43) und die Steuerungseinheit 120 das
Abgaswassergehalt-Erfassungsmodul gemäß den Ansprüchen der Erfindung. Der erste Druckregler 50 und
der zweite Druckregler 58 sind jeweils eine Entsprechung
des stromauf befindlichen Druckregler und des stromabwärts befindlichen Druckreglers
gemäß den Ansprüchen der
Erfindung. Diese Druckregler 50 und 58 und die
Steuerungseinheit 120 bilden das Strömungsraten-Regulierungsmodul gemäß den Ansprüchen der
Erfindung.
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B. Druckregulierungsvorgang in einer ersten
Ausführungsform
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2 ist
ein Flussdiagramm, dass einen Druckregulierungsvorgang einer ersten
Ausführungsform
darstellt, der in dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 10 ausgeführt wird. Der
Druckregulierungsvorgang wird durch die Steuerungseinheit 120 nach
Zuführung
der Außenluft durch
den Luftkompressor 43 zum Brennstoffzellenstapel 20 bei
Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt. Der
erste Druckregler 50 und der zweite Druckregler 58 werden
jeweils, gleichzeitig mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 10,
auf eine vorgegebene Öffnung
(Vorgabe) und auf eine vollständig
geöffnete
Position eingestellt. In der Anfangsstufe wird der erste Druckregler 50 betrieben, um
den Druck der Luft am Auslass des Brennstoffzellenstapels 20 an
einen vorbestimmten Bereich anzupassen.
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Beim
Start des Druckregulierungsvorgangs gibt die Steuerungseinheit 120 den
Druck P1 ein, der durch den Atmosphärendrucksensor 47 gemessen wird
(Schritt S200), und bestimmt, ob der Eingangsdruck P1 einen voreingestellten
Referenzdruck α unterschreitet
(Schritt S215).
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Bei
dem Atmosphärendruck
handelt es sich um eine physikalische Größe, die sich auf den Wassergehalt
in der nach außen
abgeführten
Luftströmung
(Abgaswassergehalt) auswirkt. Der Ist-Wert des Abgaswassergehalts
und die Variation des Abgaswassergehalts werden anhand des Messungsergebnisses
des Atmosphärendrucks
geschätzt.
Dieser Entscheidungsschritt S215 bezüglich des Atmosphärendrucks
entspricht der Berechnung des Abgaswassergehalts anhand des gemessenen
Atmosphärendrucks
und der Bestimmung, ob der berechnete Abgaswassergehalt einen voreingestellten
Wert nicht unterschreitet. Der Referenzdruck α wird im voraus als Standardwert
eingestellt, der den Abgaswassergehalt reflektiert, und im ROM der
Steuerungseinheit 120 gespeichert. Der Referenzdruck α, der entsprechend
dem Abgaswassergehalt eingestellt wird, wird zu Hilfe genommen,
um zu identifizieren, ob es sich bei der Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 um „Bergland" handelt.
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Wenn
der Eingangsdruck P1 einen voreingestellten Referenzdruck α unterschreitet
(Schritt S215: ja), erfüllt
die Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 die Höhenlagenbedingung,
nämlich
dass der Atmosphärendruck
niedriger als ein Standardwert ist, und wird somit als „Bergland" identifiziert. In
diesem Fall stellt die Steuerungseinheit 120 den ersten Druckregler 50 auf
seine vollständig
geöffnete
Position ein (Schritt S230) und steuert den zweiten Druckregler 58,
um die Auslassdruckregulierung auszuführen (Schritt S240). Wenn die
Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 in
der Anfangsstufe implementiert worden ist, wird bei diesem Schritt
der Druckregler, der eine Auslassdruckregulierung ausführt, umgeschaltet.
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Die
Auslassdruckregulierung durch den zweiten Druckregler 58 steuert
den Ausgangsdruck der Luftströmung
vom Brennstoffzellenstapel 20 (der letztlich dem Eingangsdruck
der Luftströmung
entspricht) auf den vorbestimmten Bereich. Wenn der Ist-Leistungserzeugungswert
des Brennstoffzellenstapels 20 eine Leistungserzeugungsanforderung überschreitet,
senkt die Steuerungseinheit 120 die Motordrehzahl des Luftkompressors 43,
um die Strömungsrate
der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 20 zu senken.
Die verringerte Strömungsrate
reduziert den Innendruck der Abgasleitung 51. Die Steuerungseinheit 120 erfasst
dann diesen Druckabfall in der Abgasleitung 51 basie rend
auf dem Messergebnis des Drucks P2 durch den Drucksensor 56 und verringert
die Öffnung
des zweiten Druckreglers 58 (d. h. schränkt den Strömungsweg ein), um den gesenkten
Druck P2 zu erhöhen.
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Wenn
der Ist-Leistungserzeugungswert des Brennstoffzellenstapels 20 für die Leistungserzeugungsanforderung
unzureichend ist, erhöht
die Steuerungseinheit 120 hingegen die Motordrehzahl des Luftkompressors 43,
um die Strömungsrate
der Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 20 zu erhöhen. Die
erhöhte
Strömungsrate
steigert den Innendruck der Abgasleitung 51. Die Steuerungseinheit 120 erfasst
dann den Druckanstieg in der Abgasleitung 51 basierend
auf dem Messergebnis des Drucks P2 durch den Drucksensor 56 und
vergrößert die Öffnung des
zweiten Druckreglers 58 (d. h. öffnet den Strömungsweg),
um den erhöhten
Druck P2 zu senken.
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Die
Steuerungseinheit 120 wiederholt dies Abfolge der Druckregulierung,
um den Innendruck des Brennstoffzellenstapels 20 auf einem
im Wesentlichen konstanten Wert zu halten. Die Auslassdruckregulierung
durch den zweiten Druckregler 58 schränkt die Strömungsrate der stromabwärts des Befeuchters 48 abgeführten Luft
ein und reguliert den Innendruck des Befeuchters 48, der
stromauf des zweiten Druckreglers 58 positioniert ist,
auf einen vorbestimmten Bereich, der höher ist als der Atmosphärendruck.
Nachdem diese Auslassdruckregulierung für eine vorbestimmte Zeitspanne
ausgeführt worden
ist, wird der Verarbeitungsfluss bei „Weiter" fortgesetzt. Diese vorstehend beschriebene
Abfolge der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten
wiederholt. Der zweite Druckregler 58 wird auf einen Druckwert
reguliert, der durch Subtrahieren eines Druckverlustes des Befeuchters 48 von
einem Soll-Druckwert am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 20 bestimmt
wird.
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Wenn
der Eingangsdruck P1 den voreingestellten Referenzdruck α nicht unterschreitet
(Schritt S215: nein), erfüllt
hingegen die umliegende Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 nicht
die Höhenlagenbedingung,
nämlich
dass der Atmosphärendruck
den Standardwert unterschreitet, und wird somit nicht als „Bergland" identifiziert. In
diesem Fall stellt die Steuerungseinheit 120 den zweiten
Druckregler 58 auf dessen vollständig geöffnete Position ein (Schritt
S260) und steuert den ersten Druckregler 50, um die Auslassdruckregulierung
auszuführen (Schritt
S270). Wenn die Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 in
der Anfangsstufe implementiert worden ist, setzt dieser Schritt
die Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 fort.
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Die
Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 wird
in der gleichen Weise wie die vorstehend beschriebene Auslassdruckregulierung durch
den zweiten Druckregler 58 ausgeführt, um den Innendruck des
Brennstoffzellenstapels 20 auf einem im Wesentlichen konstanten
Wert zu halten. Nachdem die Auslassdruckregulierung für eine vorbestimmte
Zeitspanne ausgeführt
worden ist, wird der Verarbeitungsfluss bei „Weiter" fortgesetzt. Die vorstehende Abfolge
der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten wiederholt.
Die Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 reguliert
nicht den Innendruck des Befeuchters 48, der stromabwärts des
ersten Druckreglers 50 angeordnet ist, sondern bewirkt,
dass der Innendruck näherungsweise
dem Atmosphärendruck
entspricht.
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Gemäß dem Atmosphärendruck,
der zur Erfüllung
der Höhenlagenbedingung
zu niedrig ist, wird im Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform
der zweite Druckregler 58 verwendet, der stromabwärts des
Befeuchters 48 angeordnet ist, um den Innendruck des Brennstoffzellenstapels 20 zu
regulieren (um den Auslassdruck der Luftströmung zu regulieren). Die Steuerungseinheit 120 verringert
die Öffnung
des zweiten Druckreglers 58, um den Strömungsweg einzuschränken und
den Luftdruck im Brennstoffzellenstapel 20 an den vorbestimmten
Bereich anzupassen, der höher
als der Atmosphärendruck
ist. Dadurch wird der Innendruck des Befeuchters 48 auf
einen vorbestimmten Wert, der höher
als der Atmosphärendruck
ist, reguliert und die Befeuchtungseffizienz des Befeuchters 48 im
Vergleich zur Effizienz unter der niedrigen Druckbedingung verbessert
(z. B. unter dem Atmosphärendruck
im Bergland). Die verbesserte Befeuchtungseffizienz erhöht die Rate
des Wassergehalts, der zur Befeuchtung der Luftströmung verwendet
wird, die durch den Befeuchter 48 gelangt. Die verbesserte
Befeuchtungseffizienz des Befeuchters 48 zur Erhöhung der
Rate des Wassergehalts, der zur Befeuchtung verwendet wird, führt zu einer
Reduktion des Wassergehalts, der mit dem Abgas abgeführt wird.
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Der
Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform reduziert somit
den Wassergehalt, der nach außerhalb
des Befeuchters 48 (Abgaswassergehalt) in die Umgebung
der Höhenlagenbedingung
abgeführt
wird, im Vergleich zur Druckregulierung durch den ersten Druckregler 50,
der stromauf des Befeuchters 48 angeordnet ist. Der Druckregulierungsvorgang
dieser Ausführungsform
verhindert nämlich
effektiv eine Verringerung der Dampfaustauscheffizienz im Befeuchter 48 und
stellt eine ausreichende Luftbefeuchtung sogar in der Umgebung der Höhenlagenbedingung
sicher.
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Bei
der Regulierung des Innendrucks des Brennstoffzellenstapels 20 durch
den stromauf des Befeuchters 48 angeordneten ersten Druckreglers 50 in
der Umgebung mit der Höhenlagenbedingung
fällt der
Innendruck des Befeuchters 48 (insbesondere der Druck auf
der Seite der feuchten Luftströmung) auf
den Atmosphärendruckwert
ab, so dass die Befeuchtungseffizienz gemindert wird. Die verminderte Befeuchtungseffizienz
reduziert den Wassergehalt, der zur Befeuchtung verwendet wird,
und erhöht
die Dampfmenge, die in der durch den Befeuchter 48 gelangenden
Luftströmung
beinhaltet ist. Dies kann bewirken, dass eine große Dampfmenge
(Wassergehalt) mit der Luftströmung
nach außen
abgeführt wird.
Der Druckregulierungsvorgang dieser Ausführungsform bezieht sich jedoch
auf das Messergebnis des Atmosphärendrucks
und identifiziert eine Erhöhung
des Wassergehalts der Luftströmung,
die aus dem Brennstoffzellenstapel 20 ausströmt (Abgaswassergehalt),
auf einen voreingestellten Wert oder über diesen hinaus und reduziert
den Abgaswassergehalt, der aus dem Befeuchter 48 herausbewegt wird.
Diese Anordnung stellt die adäquate
Befeuchtung der Luftströmung
mit einem ausgeglichenen Wassergehalt während der Betriebsabläufe des Brennstoffzellensystems 10 selbst
unter einer Höhenlagenbedingung
mit niedrigem Atmosphärendruck
sicher, wodurch eine Leistungsverschlechterung des Brennstoffzellenstapels 20 effektiv
verhindert wird.
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Die
Auslassdruckregulierung wird durch den stromauf des Befeuchters 48 angeordneten
ersten Druckregler 50 in einer Umgebung, in der keine Höhenlagenbedingung
vorliegt, ausgeführt.
In diesem Fall wird zwar die Befeuchtungsleistung des Befeuchters 48 nicht
wesentlich gemindert, aber die adäquate Befeuchtung der Luftströmung sichergestellt. Die
Auslassdruckregulierung durch den Druckregler an der Position nahe
des Luftströmungsauslasses des
Brennstoffzellenstapels 20 (d. h. durch den ersten Druckregler 50)
verbessert die Reaktion der Druckregulierung. Bei dem Druckregulierungsvorgang
dieser Ausführungsform
wird das Messergebnis des Atmosphärendrucks durch den Atmosphärendrucksensor 47 verwendet,
der sich auf der Lufteinlassseite befindet, um eine Erfüllung oder
Nichterfüllung
der Höhenlagenbedingung
zu identifizieren. In einem modifizierten Verfahren kann der Druck
des Abgases als eine Zustandsgröße des Abgases
im Befeuchter 48 gemessen werden und eine Erfüllung der
Höhenlagenbedingung
basierend auf dem gemessenen Druck, der nicht höher als ein vorgegebener Wert
ist, identifiziert werden. Bei einer weiteren möglichen Modifizierung können Höhenlagendaten von
einem Autonavigationssystem oder einer anderen entsprechenden Vorrichtung
erhalten werden, um eine Erfüllung
oder Nichterfüllung
der Höhenlagenbedingung
zu identifizieren. Die Zustandsgröße des Abgases ist nicht auf
den Druck des Abgases beschränkt,
sondern kann auch die Temperatur des Abgases oder die Strömungsrate
(Strömungsgeschwindigkeit)
des Abgases sein, wie nachstehend in einer anderen Ausführungsform
oder einem modifizierten Beispiel beschrieben wird.
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Die
Festpolymerelektrolyt-Membran wird als die Elektrolytmembran im
Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform verwendet. Die Elektrolytmembran
ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern kann eine beliebige
andere Elektrolytmembran mit einer hohen Betriebsleistung in einem
vorbestimmten Bereich einer feuchten Umgebung sein. Der Druckregulierungsvorgang
kann ausgeübt
werden, um die adäquate
Befeuchtung der Luftströmung in
einem beliebigen Brennstoffzellensystem zu erreichen, das Brennstoffzellen
mit derartigen Elektrolytmembranen und einen Befeuchter zur Verwendung des
Wassergehalts im Abgas, um die zugeführte Luft zu befeuchten, beinhaltet.
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C. Druckregulierungsvorgang in einer zweiten
Ausführungsform
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Im
Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform wird ein Anstieg
im vom Befeuchter 48 abgeführten Abgaswassergehalt auf
einen voreingestellten Wert oder über diesen hinaus auf Basis des
Messergebnisses des Atmosphärendrucks
identifiziert. Ein Druckregulierungsvorgang einer zweiten Ausführungsform
identifiziert hingegen einen Anstieg des Abgaswassergehalts auf
einen voreingestellten Wert oder über diesen hinaus auf Basis
des Messergebnisses der Auslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels 20.
Im Druckregulierungsvorgang der zweiten Ausführungsform wird nämlich zur
Identifizierung des Anstiegs des Abgaswassergehalts eine andere
Entscheidungsbasis zugrunde gelegt als im Druckregulierungsvorgang
der ersten Ausführungsform,
ist aber ansonsten ähnlich
dem Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform (im Wesentlichen ähnliche
Auslassdruckregulierung durch einen der beiden Druckregler). Die
Auslassdruckregulierung, die in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird,
wird somit nur kurz angesprochen. Die Konfiguration der Hardware
zum Ausführen
des Druckregulierungsvorgangs der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen
identisch mit der Hardware-Konfiguration des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems 10 und wird somit an dieser Stelle nicht
ausführlich
beschrieben.
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3 ist
ein Flussdiagramm, das den Druckregulierungsvorgang der zweiten
Ausführungsform, der
im Brennstoffzellensystem 10 ausgeführt wird, darstellt. Ein Verarbeitungsprogramm
für die
Druckregulierung wird im ROM der Steuerungseinheit 120 gespeichert.
Die CPU der Steuerungseinheit 120 liest die Verarbeitungsprogramme
vom ROM und lädt die
Verarbeitungsprogramme auf den RAM, um den Druckregulierungsvorgang
der zweiten Ausführungsform
auszuführen.
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Beim
Start des Druckregulierungsvorgang gibt die Steuerungseinheit 120 eine
Auslasstemperatur T der Luftströmung
vom Brennstoffzellenstapel 20 ein, die durch den Temperatursensor 55 gemessen wird
(Schritt S300), und bestimmt, ob die Auslasstemperatur T höher als
eine voreingestellte Referenztemperatur β ist (Schritt S315).
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Wie
der Atmosphärendruck,
der als Identifizierungsbasis in der ersten Ausführungsform verwendet wird,
ist die Auslasstemperatur der Luftströmung aus dem Brennstoffzellenstapel 20 eine
physikalische Größe, die
sich auf den Abgaswassergehalt auswirkt. Der Ist-Wert des Abgaswassergehalts
und die Variation des Abgaswassergehalts werden anhand des Messergebnisses
der Auslasstemperatur geschätzt.
Der Entscheidungsschritt S315 bezüglich der Auslasstemperatur
entspricht der Berechnung des Abgaswassergehalts anhand der gemessenen Auslasstemperatur
und der Bestimmung, ob der berechnete Abgaswassergehalt einen voreingestellten Wert
nicht unterschreitet. Die Referenztemperatur β wird im Voraus als Standardwert
eingestellt, der den Abgaswassergehalt reflektiert, und wird im
ROM der Steuerungseinheit 120 gespeichert.
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Wenn
die Auslasstemperatur T eine voreingestellte Referenztemperatur β überschreitet
(Schritt S315: ja), wird mit einer Zunahme des Dampfs (Wassergehalts)
in der Luftströmung
gerechnet. In diesem Fall stellt die Steuerungseinheit 120 den
ersten Druckregler 50 auf dessen vollständig geöffnete Position (Schritt S330)
ein, steuert den zweiten Druckregler 58, um die Auslassdruckregulierung
für eine vorbestimmte
Zeitspanne auszuführen
(Schritt S340), und setzt den Betrieb bei „Weiter" fort. Diese Abfolge der Verarbeitung
wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten wiederholt. Die Einstellung
der Öffnung
des ersten Druckreglers 50 und die Auslassdruckregulierung
durch den zweiten Druckregler 58 sind mit der Verarbeitung
der Schritte S230 und S240 im Druckregulierungsvorgang der ersten
Ausführungsform,
der im Flussdiagramm von 2 gezeigt ist, identisch.
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Wenn
die Auslasstemperatur T eine voreingestellte Referenztemperatur β nicht überschreitet (Schritt
S315: nein), wird hingegen nicht mit einem Anstieg des Dampfs (Wassergehalts)
in der Luftströmung
gerechnet. In diesem Fall stellt die Steuerungseinheit 120 den
zweiten Druckregler 58 auf dessen vollständig geöffnete Position
ein (Schritt S360), steuert den ersten Druckregler 50,
um die Auslassdruckregulierung für
eine festgelegte Zeitspanne auszuführen (Schritt S370), und setzt
den Betrieb bei „Weiter" fort. Diese Abfolge
der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten wiederholt.
Die Einstellung der Öffnung
des zweiten Druckreglers 58 und die Auslass druckregulierung
durch den ersten Druckregler 50 sind mit der Verarbeitung
der Schritte S260 und S270 im Druckregulierungsvorgang der ersten
Ausführungsform,
der im Flussdiagramm von 2 gezeigt ist, identisch.
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Unter
der Bedingung der hohen Auslasstemperatur T, die eine Zunahme des
in der Luftströmung enthaltenen
Dampfs andeutet, steuert der Druckregulierungsvorgang der zweiten
Ausführungsform
den zweiten Druckregler 58, um die Auslassdruckregulierung
auszuführen,
und schränkt
die Strömungsrate der
stromabwärts
des Befeuchters 48 abgeführten Luft ein. Wie der Druckregulierungsvorgang
der ersten Ausführungsform
steuert der Druckregulierungsvorgang der zweiten Ausführungsform
den außerhalb
des Befeuchters 48 abgeführten Wassergehalt (Abgaswassergehalt)
und stellt die adäquate
Befeuchtung durch den Befeuchter 48 sicher.
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Die
physikalische Größe des Reaktionsgases,
beispielsweise die Auslasstemperatur T der Luftströmung aus
dem Brennstoffzellenstapel 20, wird im Allgemeinen zur
Steuerung des Brennstoffzellensystems 10 gemessen. Die
Verwendung dieser physikalischen Größe zur Druckregulierung vereinfacht
die Konstruktion des Druckregulierungssystem. Die Strömungsrate „q" der Luftzufuhr zum
Brennstoffzellenstapel 20 kann anstelle der Auslasstemperatur T
verwendet werden, um den Anstieg des Abgaswassergehalts auf den
voreingestellten Wert oder über diesen
hinaus zu identifizieren.
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Anstelle
der Verarbeitung der Schritte S300 und S315 im Druckregulierungsvorgang
von 3, gibt in einer derartigen Modifizierung die
Steuerungseinheit 120 das Messergebnis (Strömungsrate „q") des Luftströmungsmessers 42 ein
und vergleicht die eingegebene Strömungsrate „q" mit einem voreingestellten Referenzwert.
Wenn die Strömungsrate „q" den voreingestellten
Referenzwert überschreitet, wird
der modifizierte Druckregulierungsvorgang bei den Schritten S330
und S340 fortgesetzt, um die Auslassdruckregulierung durch den zweiten
Druckregler 58 auszuführen.
Wenn die Strömungsrate „q" den voreingestellten
Referenzwert nicht überschreitet,
wird hingegen der modifizierte Druckregulierungsvorgang bei den
Schritten S360 und S370 fortgesetzt, um die Auslassdruckregulierung
durch den ersten Druckregler 50 auszuführen.
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Durch
eine Erhöhung
der pro Zeiteinheit zugeführten
Strömungsrate „q" über den voreingestellten Referenzwert
hinaus wird die Strömungsgeschwindigkeit
der vom Brennstoffzellenstapel 20 abgeführten Luft erhöht und die
Befeuchtungsleistung des Befeuchters 48 gesenkt. Dieser
Referenzwert wird entsprechend dem Abgaswassergehalt wie der Referenzdruck
und die Referenztemperatur eingestellt, die in der ersten und zweiten
Ausführungsform verwendet
werden.
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In
diesem Fall wird die Auslassdruckregulierung durch den stromabwärts des
Befeuchters 48 angeordneten zweiten Druckregler 58 ausgeführt, um die
Strömungsrate
der stromabwärts
des Befeuchters 48 abgeführten Luft einzuschränken. Im
Vergleich zur Auslassdruckregulierung durch den ersten Druckregler 50 verringert
diese Auslassdruckregulierung durch den zweiten Druckregler 58 den
außerhalb
des Befeuchters 48 abgeführten Wassergehalt (Abgaswassergehalt).
Die Strömungsrate
der zugeführten
Luft (Volumen der Luftströmung)
kann anhand der Motordrehzahl des Luftkompressors 43 geschätzt werden.
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D. Modifizierungen
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Die
vorstehend erläuterten
Ausführungsformen
sind in allen Aspekten als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung aufzufassen.
Die Vornahme vieler Modifizierungen, Änderungen und Abänderungen
ist ohne Abweichung vom Schutzbereich oder Geist der Haupteigenschaften
der vorliegenden Erfindung möglich.
Bei den vorstehend beschriebenen Druckregulierungsvorgänge der
ersten und zweiten Ausführungsform
wird der Abgaswassergehalt anhand der gemessenen physikalischen Größe, z. B.
des gemessenen Atmosphärendrucks oder
der gemessenen Auslasstemperatur, berechnet, um den Referenzdruck α oder die
Referenztemperatur β einzustellen.
Eine Berechnung des Abgaswassergehalts ist jedoch nicht unbedingt
notwendig. Es kann auch eine physikalische Größe, die experimentell oder
anderweitig mit dem Abgaswassergehalt in Verbindung steht, verwendet
werden, um den Referenzdruck oder die Referenztemperatur einzustellen,
während
der Abgaswassergehalt unbestimmt bleibt.
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Bei
den Druckregulierungsvorgängen
der ersten und zweiten Ausführungsform
wird die Strömungsrate
der stromabwärts
des Befeuchters 48 abgeführten Luft basierend auf dem
Vergleich zwischen dem Messergebnis und dem voreingestellten Referenzwert
eingeschränkt.
Bei einer möglichen
Modifizierung kann der Einschränkungsgrad
der Strömungsrate
mit einer Erhöhung
des Abgaswassergehalts (lineare Steuerung) erhöht werden. Der Einschränkungsgrad
der Strömungsrate
wird beispielsweise entsprechend dem gegebenen Atmosphärendruck
durch Bezugnahme auf ein vorbestimmtes Korrelationskennfeld bestimmt.
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Bei
dem vorstehend beschriebene Druckregulierungsvorgang wird entweder
nur der Atmosphärendruck,
die Auslasstemperatur oder die Strömungsrate der zugeführten Luft
als Identifizierungsbasis für
den Anstieg des Abgaswassergehalts verwendet. Bei einem modifizierten
Vorgang können
alle diese physikalischen Größen eingegeben
werden und die Auslassdruckregulierung durch den stromabwärts des
Befeuchters angeordneten Druckregler ausgeführt werden, wenn eine beliebige
der eingegebenen physikalischen Größen die voreingestellte Bedingung
erfüllt.
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Bei
den Druckregulierungsvorgängen
der ersten und zweiten Ausführungsform
wird zur Verwendung in der Ausführung
der Auslassdruckregulierung einer der beiden stromauf und stromabwärts des
Befeuchters angeordneten Druckregler auf Basis des Messergebnisses
des Atmosphärendrucks
oder der Auslasstemperatur (oder der Strömungsrate der zugeführten Luft)
spezifiziert. Der für
die Ausführung der
Auslassdruckregulierung zu verwendende Druckregler kann durch zusätzliches
Berücksichtigen
einer Befeuchtungsanforderung spezifiziert werden, die für die adäquate Leistungserzeugung
durch den Brennstoffzellenstapel 20 erforderlich ist.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das, neben einem Druckregulierungsvorgang der
ersten Ausführungsform,
einen modifizierten Druckregulierungsvorgang, der eine Entscheidung
basierend auf einer Befeuchtungsanforderung beinhaltet, darstellt.
Wie der Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform, die im Flussdiagramm
in 2 gezeigt ist, wird dieser Druckregulierungsvorgang
durch die Steuerungseinheit 120 ausgeführt. Die identische Nummerierung
der Schritte bezeichnet die gleichen Verarbeitungsschritte in Bezug
auf den Druckregulierungsvorgang der ersten Ausführungsform.
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Beim
Start des modifizierten Druckregulierungsvorgangs gibt die Steuerungseinheit 120 den Druck
P1 als den gemessenen Atmosphärendruck ein
(Schritt S200) und bestimmt, ob der Atmosphärendruck den Standardwert (Referenzdruck α) unterschreitet
(Schritt S215). Wenn der Atmosphärendruck
den Standardwert nicht unterschreitet (Schritt S215: nein), stellt
die Steuerungseinheit 120 den zweiten Druckregler 58 auf
dessen vollständig
geöffnete
Position ein (Schritt S260), steuert den ersten Druckregler 50,
um die Auslassdruckregulierung für eine
festgelegte Zeitspanne auszuführen
(Schritt S270), und setzt den Betrieb bei „Weiter" fort. Der stromauf des Befeuchters 48 angeordnete
Druckregler 50 wird gesteuert, um die Auslassdruckregulierung
für die
festgelegte Zeitspanne auszuführen.
Diese Abfolge der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten
wiederholt.
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Wenn
der Atmosphärendruck
den Standardwert unterschreitet (Schritt S215: ja), berechnet die Steuerungseinheit 120 hingegen
eine Befeuchtungsanforderung anhand der Messwerte der verschiedenen
Sensoren (Schritt S420).
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Konkret
wird im Berechnungsvorgang zunächst
die Menge der zugeführten
Luft anhand des Messwerts des Luftströmungsmessers 42, der
Verbrauch an Sauerstoff für
die elektrochemische Reaktion und die durch die elektrochemische
Reaktion erzeugte Wassermenge anhand des Messwerts des Amperemeters 95 und
die Strömungsrate
der ausgehenden Luftströmung
anhand des Messwerts des Temperatursensors 55, des Drucksensors 56 und
der Öffnungen
der Druckregler 50 und 58 berechnet. Dann erfolgt
in dem Vorgang die Berechnung des in der Luftströmung im Brennstoffzellenstapel 20 enthaltenen
Ist-Wassergehalts und die Bezugnahme auf ein Korrelationskennfeld
des Wassergehalts bogen auf die Leistungserzeugungsmenge, um die
Befeuchtungsanforderung zu bestimmen, die für die adäquate Leistungserzeugung, die
dem berechneten Wassergehalt entspricht, erforderlich ist.
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Die
Steuerungseinheit 120 bestimmt dann, ob die berechnete
Befeuchtungsanforderung einen voreingestellten Wert γ überschreitet
(Schritt S425).
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Wenn
die berechnete Befeuchtungsanforderung den voreingestellten Wert γ überschreitet (Schritt
S425: ja), stellt die Steuerungseinheit 120 den ersten
Druckregler 50 auf dessen vollständig geöffnete Position ein (Schritt
S230), steuert den zweiten Druckregler 58, um die Auslassdruckregulierung für eine festgelegte
Zeitspanne auszuführen
(Schritt S240), und setzt den Betrieb bei „Weiter" fort. Der stromabwärts des Befeuchters 48 positionierte Druckregler 58 wird
nämlich
gesteuert, um die Auslassdruckregulierung für die festgelegte Zeitspanne auszuführen. Diese
Abfolge der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten
wiederholt.
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Wenn
die berechnete Befeuchtungsanforderung den voreingestellten Wert γ nicht überschreitet (Schritt
S425: nein), stellt die Steuerungseinheit 120 hingegen
den zweiten Druckregler 58 auf dessen vollständig geöffnete Position
ein (Schritt S260), steuert den ersten Druckregler 58,
um die Auslassdruckregulierung für
eine festgelegte Zeitspanne auszuführen (Schritt S270), und setzt
den Betrieb bei „Weiter" fort. Der stromauf
des Befeuchters 48 positionierte Druckregler 50 wird
gesteuert, um die Auslassdruckregulierung für die festgelegte Zeitspanne auszuführen. Diese
Abfolge der Verarbeitung wird zu voreingestellten Steuerzeitpunkten
wiederholt.
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Im
modifizierten Druckregelungsvorgang wird der stromauf des Befeuchters 48 angeordnete Druckregler 50 gesteuert,
um die Auslassdruckregulierung selbst unter einer Höhenlagenbedingung
mit niedrigen Atmosphärendruck
auszuführen,
wenn die Befeuchtungsanforderung den voreingestellten Wert nicht überschreitet.
Selbst im Fall einer Zunahme des Abgaswassergehalts auf den voreingestellten
Wert oder über
diesen hinaus besteht keine Notwendigkeit einer erheblichen Befeuchtung,
wenn die momentan im Brennstoffzellenstapel 20 erforderliche
Befeuchtungsanforderung den voreingestellten Wert nicht überschreitet.
In solchen Fällen
ruht die Priorität
auf dem Ansprechvermögen
(Steuerbarkeit) des Auslassdrucks der Luftströmung vom Brennstoffzellensta pel 20.
Die Auslassdruckregulierung wird somit durch den ersten Druckregler 50 an
der Position nahe des Auslasses der Luftströmung vom Brennstoffzellenstapel 20 ausgeführt. Dadurch
wird eine Regulierung des Auslassdrucks bei hohem Ansprechvermögen ermöglicht.
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In
der Konfiguration der Ausführungsform werden
die stromauf und stromabwärts
des Befeuchters angeordneten Druckregler und der zur Regulierung
des Auslassdrucks der Luftströmung
vom Brennstoffzellenstapel verwendete Druckregler gemäß der vorbestimmten
Bedingung umgeschaltet. Ein derartiges Umschalten des Druckreglers,
der für die
Auslassdruckregulierung verwendet wird, ist jedoch nicht unbedingt
erforderlich. Die Auslassdruckregulierung wird beispielsweise uneingeschränkt durch
den stromauf des Befeuchters angeordneten Druckregler ausgeführt. Als
Reaktion auf eine Potentialerhöhung
im Abgaswassergehalt auf den voreingestellten Wert oder über diesen
hinaus, die durch eine Verringerung im Atmosphärendruck, einen Anstieg der
Auslasstemperatur oder einen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit der ausströmenden Luftströmung angedeutet
wird, kann durch die Druckregulierung die Öffnung des stromabwärts des
Befeuchters angeordneten Druckreglers verkleinert werden (um den
Strömungsweg
einzuschränken). Dadurch
wird der nach außen
abgeführte
Wassergehalt verringert und eine Verschlechterung der Befeuchtungsleistung
des Befeuchters verhindert, während
das Steuern der beiden Druckregler vereinfacht wird.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem und
Betriebsverfahren für Brennstoffzellen
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Ein
Brennstoffzellensystem der Erfindung beinhaltet: Brennstoffzellen,
die Zufuhren von vorbestimmten Gasen aufnehmen, um eine elektrische Leistung
zu erzeugen; und einen Befeuchter, der zumindest entweder eines
der vorbestimmten Gase, die den Brennstoffzellen zugeführt werden,
mit einem Wassergehalt befeuchtet, der im Abgas enthalten ist, das
von den Brennstoffzellen abgeführt
wird. Das Brennstoffzellensystem weist ferner folgende Merkmale
auf: ein Abgaswassergehalt-Erfassungsmodul, das einen Abgaswassergehalt
erfasst, der im Abgas beinhaltet ist und stromabwärts des
Befeuchters abgeführt
wird; und ein Regulierungsmodul, das als Reaktion auf eine Erfassung,
dass der Abgaswassergehalt einen voreingestellten Wert nicht unterschreitet, den
Abgaswassergehalt, der stromabwärts
des Befeuchters abgeführt
wird, einschränkt.
Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren
wird eine adäquate
Befeuchtungssteuerung sichergestellt.