DE112006001934T5

DE112006001934T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112006001934T5
Application number: DE112006001934T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Toyota Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: US8158298B2; CN101233645B; JP4807357B2; US20090226783A1; CN101233645A; JPWO2007013453A1; WO2007013453A1; DE112006001934B4

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Leistung, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt;
ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Strömungsweg des Anodensystems vorgesehen ist, auf dem das Anodengas zur Brennstoffzelle geführt und von dieser abgeführt wird;
ein Druckerhöhungsmittel zum Erhöhen eines Gasdrucks im Strömungsweg des Anodensystems; und
ein Steuermittel zum Betätigen des Abfuhrventils und des Druckerhöhungsmittels, so dass der Gasdruck zumindest für einen Teil eines Zeitraums, in dem das Abfuhrventil offen ist, auf ein Niveau erhöht wird, das höher ist als zu normalen Zeiten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Technischer Hintergrund
In einem System, das Anodengas (Wasserstoffgas) zu einer Brennstoffzelle liefert, wird bis heute ein Anodenkreislaufsystem, das Anodenabgas, das von der Anode der Brennstoffzelle abgeführt wird, zur Anode zurückführt, verwendet. Für ein solches System offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-317766 ein Verfahren zur Eliminierung von Ablaufstaus durch Öffnen eines Spülventils, wenn es innerhalb einer Brennstoffzelle zu einem Ablaufstau kommt.
Offenbarung der Erfindung
Um den Wasserstau in der Brennstoffzelle zu beseitigen, ist es bei der in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2003-317766 offenbarten Technik jedoch nötig, dem System zusätzliche Teile hinzuzufügen, wie einen Ejektor, Rohre und dergleichen. Dies ist von Nachteil, weil die Herstellungskosten des Systems steigen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um Probleme wie die oben beschriebenen zu lösen, und Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Feuchtigkeitsmenge, die aus dem Inneren einer Brennstoffzelle abgeführt wird.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung erzeugt, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt; ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Strömungsweg des Anodensystems, auf dem das Anodengas zur Brennstoffelle geführt bzw. von dieser abgeführt wird, vorgesehen ist; ein Druckerhöhungsmittel zum Erhöhen des Gasdrucks im Strömungsweg des Anodensystems; und ein Steuermittel für die Betätigung des Abfuhrventils und des Druckerhöhungsmittels, so dass der Gasdruck für mindestens einen Teil eines Zeitraums, in dem das Abfuhrventil offen ist, auf ein Niveau erhöht wird, das höher ist als zu normalen Zeiten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie es im ersten Aspekt beschrieben wurde, wobei beim Öffnen des Abfuhrventils durch das Steuermittel der Gasdruck mittels des Druckerhöhungsmittels hoch gehalten wird.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im ersten Aspekt beschrieben, wobei das Steuermittel die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels zu dem Zeitpunkt beginnt, zu dem das Abfuhrventil geöffnet wird.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im dritten Aspekt beschrieben, wobei das Steuermittel einen Zielwert für die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels senkt, während das Öffnen des Abfuhrventils in Gange ist.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie in einem der Aspekte eins bis vier beschrieben, wobei der Strömungsweg des Anodensystems einen Anodengas-Strömungsweg aufweist, auf dem ein Anodengas von einer Anodengas-Versorgungsquelle in die Anode eingeführt wird, sowie einen Anodenabgas-Strömungsweg, der ein Anodenabgas von der Anode abführt, wobei das Druckerhöhungsmittel einen Regler aufweist, der einen Primärdruck eines Anodengases im Anodengas-Strömungsweg auf einen zweiten Druck regelt, bei dem es sich um einen Zieldruck handelt, und die Öffnung des Reglers vorübergehend größer macht als zu normalen Zeiten.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im fünften Aspekt beschrieben, wobei es ferner aufweist: einen Drucksensor zur Erfassung des Gasdrucks des Anodengas-Strömungswegs, wobei das Druckerhöhungsmittel die Öffnung des Reglers so einstellt, dass der Gasdruck im Anodengas-Strömungsweg einen Zielwert für die Druckerhöhung erreicht.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im sechsten Aspekt beschrieben, wobei es sich bei dem Strömungsweg des Anodensystems um ein Gasumwälzsystem handelt, das ferner eine Umwälzeinrichtung zur Einführung eines Anodenabgases vom Anodenabgas-Strömungsweg in den Anodengas-Strömungsweg aufweist.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im siebten Aspekt beschrieben, wobei es ferner aufweist: einen Gas/Flüssigkeit-Separator zum Sammeln von Feuchtigkeit aus einem Gas innerhalb des Gasumwälzsystems, wobei das Abfuhrventil mit dem Gas/Flüssigkeit-Separator verbunden ist und sowohl die Funktion hat, Feuchtigkeit, die sich im Gas/Flüssigkeit-Separator gesammelt hat, abzuführen, als auch die Funktion, das Gas im Gaszirkulationssystem auszulassen.
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im siebten oder achten Aspekt beschrieben, wobei der Regler stromaufwärts von einer Stelle angeordnet ist, wo das Anodenabgas in den Anodengas-Strömungsweg eingeführt wird.
Um die genannte Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung erzeugt, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt; ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Strömungsweg des Anodensystems vorgesehen ist, auf dem das Anodengas der Brennstoffzelle zugeführt und von dieser abgeführt wird; eine Druckerhöhungseinrichtung zur Erhöhung des Gasdrucks im Strömungsweg des Anodensystems; und eine Steuereinrichtung zur Betätigung des Abfuhrventils und der Druckerhöhungseinrichtung, so dass der Gasdruck für mindestens einen Teil des Zeitraums, in dem das Abfuhrventil offen ist, auf ein Niveau erhöht wird, das höher ist als zu normalen Zeiten.
Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem geschaffen wie im zehnten Aspekt beschrieben, wobei beim Öffnen des Abfuhrventils durch die Steuereinrichtung der Gasdruck mittels der Druckerhöhungseinrichtung hoch gehalten wird.
Gemäß einem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen wie im zehnten Aspekt beschrieben, wobei die Steuereinrichtung die Druckerhöhung mittels der Druckerhöhungseinrichtung zu einem Zeitpunkt beginnt, zu dem das Abfuhrventil geöffnet wird.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Brennstoffzellensystem wie in einem der zehnten bis zwölften Aspekte beschrieben geschaffen, wobei der Strömungsweg des Anodensystems einen Anodengas-Strömungsweg einschließt, auf dem ein Anodengas von einer Anodengas-Versorgungsquelle zur Anode geführt wird, und einen Anodenabgas-Strömungsweg, auf dem ein Anodenabgas von der Anode abgeführt wird, wobei die Druckerhöhungseinrichtung einen Regler zum Regeln eines Primärdrucks eines Anodengases im Anodengas-Strömungsweg auf einen zweiten Druck, der ein Zieldruck ist, aufweist und die Öffnung des Reglers vorübergehend größer macht als zu normalen Zeiten.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung beim Öffnen des Abfuhrventils der Gasdruck mittels des Druckerhöhungsmittels auf einem erhöhten Niveau gehalten wird, das höher ist als zu normalen Zeiten, oder die Druckerhöhung gleichzeitig begonnen wird, ist es möglich, die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle zu erhöhen, und es ist möglich, die Menge der abgeführten Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle zurückgeblieben ist bzw. stagniert, zu erhöhen. Daher kann verhindert werden, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zurückbleibt. Als Folge davon kann verhindert werden, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle aufgrund zurückgebliebener Feuchtigkeit abnimmt. Da in einem System, in dem ein Anodengas von einem Wasserstofftank zugeführt wird, ein variabler Regler, der stromabwärts von einem Wasserstofftank als Druckerhöhungsmittel vorgesehen ist, verwendet werden kann, ist es außerdem möglich, die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle abzuführen, ohne dem System neue Teile hinzuzufügen.
Genauer wird gemäß dem dritten Aspekt, da die Druckerhöhung durch das Druckerhöhungsmittel zu einem Zeitpunkt gestartet wird, zu dem das Abfuhrventil geöffnet wird, der Gasdruck stromaufwärts von der Brennstoffzelle durch das Druckerhöhungsmittel erhöht, während der Gasdruck stromabwärts von der Brennstoffzelle durch Öffnen des Abfuhrventils gesenkt wird, und damit ist es möglich, den Druckunterschied am Einlass und am Auslass der Brennstoffzelle zu erhöhen. Daher ist es möglich, die Feuchtigkeitsmenge in der Brennstoffzelle, die abgeführt wird, zu erhöhen.
Genauer kann gemäß dem vierten Aspekt verhindert werden, dass eine abrupte Druckänderung im Gasströmungsweg auftritt, da ein Zielwert für die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels allmählich gesenkt wird, während das Öffnen des Abfuhrventils im Gange ist. Daher kann die Belastung der Brennstoffzelle aufgrund einer Druckerhöhung verringert werden, und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle können verbessert werden.
Genauer kann gemäß dem achten Aspekt mittels des Abfuhrventils, das im Gas/Flüssigkeit-Separator vorgesehen ist, sowohl das Gasumwälzsystem entfeuchtet werden als auch Gas aus dem Gasumwälzsystem abgelassen werden. Daher kann die Zahl der Teile, aus denen das System besteht, verringert werden, und die Herstellungskosten können erheblich gesenkt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Skizze, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems in Bezug auf die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2(A) und 2(B) sind Zeitdiagramme, welche die Beziehung zwischen der Ventil-Öffnungszeitsteuerung des Abgasventils und dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 zeigen.
3(A) bis 3(C) sind Zeitdiagramme, die ein Beispiel zeigen, in dem der Zieldruck anhand eines Verfahrens eingestellt wird, das sich von den Verfahren, die in den 2(A) und 2(B) dargestellt sind, unterscheidet.
4 ist eine Skizze, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems in Bezug auf die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das die Beziehung zwischen der Ventil-Öffnungszeitsteuerung des Abgas/Ablauf-Ventils und Druckwerten, die von den Drucksensoren erfasst werden, zeigt.
Beste Weise für die Durchführung der Erfindung
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszahlen Elemente, die in der Zeichnung allgemein vorkommen, wodurch Mehrfach-Erläuterungen überflüssig werden. Die vorliegende Erfindung ist in keiner Weise auf die folgenden Ausführungsformen beschränkt.
1. Ausführungsform
1 ist eine Skizze, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 in Bezug auf die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 dargestellt, sind ein Anodengas-Strömungsweg 14 und ein Kathodengas-Strömungsweg 16 mit einer Brennstoffzelle (FC) 12 verbunden. Der Anodengas-Strömungsweg 14 ist mit einem Wasserstofftank 18 verbunden, der mit unter hohem Druck stehendem Wasserstoffgas gefüllt ist, und ein wasserstoffreiches Anodengas wird vom Wasserstofftank 18 zur Anode geführt. Eine Pumpe 20 ist im Kathodengas-Strömungsweg 16 vorgesehen, und ein Sauerstoff als Oxidationsgas enthaltendes Kathodengas wird durch Antreiben der Pumpe 20 zur Kathode geliefert.
Ein Anodenabgas, das von der Anode abgeführt wird, wird in einen Anodenabgas-Strömungsweg 24 gespeist. Eine Pumpe 22 ist im Anodenabgas-Strömungsweg 24 vorgesehen, und das Anodenabgas, das aus der Anode abgeführt wird, wird durch das Antreiben der Pumpe 22 wieder in den Anodengas-Strömungsweg 14 zurückgeführt. Als Folge davon wird ein Umwälzsystem in einem Strömungsweg des Anodensystems gebildet. Das Anodenabgas, das in den Anodengas-Strömungsweg 14 zurückgeführt wird, wird zusammen mit dem Wasserstoff, der vom Wasserstofftank 18 zugeführt wird, wieder in die Anode gespeist. Dadurch kann nicht-umgesetzter Wasserstoff, der im Anodenabgas enthalten ist, in der Brennstoffzelle 12 reagieren, wodurch es möglich ist, den Wirkungsgrad der Wasserstoffnutzung zu erhöhen.
Ein Gas/Flüssigkeit-Separator 26, der Feuchtigkeit im Anodenabgas sammelt, ist im Anodenabgas-Strömungsweg 24 vorgesehen. Ein Abfuhrventil 38 ist mit dem Gas/Flüssigkeit-Separator 26 verbunden. Die Feuchtigkeit im Anodenabgas, die im Gas/Flüssigkeit-Separator 26 gesammelt wird, wird durch Öffnen des Abfuhrventils 38 abgeführt.
Stromabwärts vom Gas/Flüssigkeit-Separator 26 ist ein Abgasventil 28 mit dem Anodenabgas-Strömungsweg 24 verbunden. Wenn große Mengen an verunreinigenden Komponenten, wie Stickstoff (N₂), im Anodenumwälzsystem enthalten sind, das aus dem Anodenabgas-Strömungsweg 24 → dem Anodengas-Strömungsweg 14 → der Brennstoffzelle 12 besteht, wird eine Spülung durch intermittierendes Öffnen des Abgasventils 28 durchgeführt, und diese Komponenten werden in einen Strömungsweg 36 abgeführt.
Genauer wird, wenn Verunreinigungskonzentrationen des Anodenumwälzsystems erfasst oder geschätzt werden, und die Verunreinigungskonzentrationen höher sind als vorgeschriebene Werte, das Abgasventil 28 intermittierend geöffnet, und diese Verunreinigungen werden zusammen mit dem Anodenabgas abgeführt. Durch intermittierendes Öffnen des Abgasventils 28 kann somit die Abfuhr von nicht-umgesetztem Wasserstoff im Anodenabgas minimiert werden.
Die Ausgangsleistung (Spannungswert, Stromwert) der Brennstoffzelle 12 nimmt ab, wenn die Menge der Verunreinigungen, wie Stickstoff, die im Anodenumwälz system enthalten sind, zunimmt. Daher ist es möglich, sich eines Verfahrens zu bedienen, das die Beobachtung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 und die Abfuhr von Verunreinigungen durch Öffnen des Abgasventils 28, wenn die Ausgangsleistung unter einen vorgegebenen Standardwert sinkt, beinhaltet.
Dagegen strömt das Kathodenabgas, das aus der Kathode abgeführt wird, durch einen Kathodenabgas-Strömungsweg 30 und wird schließlich von einem Dämpfer bzw. Auspufftopf 32 abgeführt. Ein Steuerventil 31, das den Druck in der Kathode regelt, ist im Kathodenabgas-Strömungsweg 30 vorgesehen. Im Kathodenabgas-Strömungsweg 30 ist eine Verdünnungseinrichtung 34 stromaufwärts vom Dämpfer 32 vorgesehen. Der Strömungsweg 36 ist mit der Verdünnungseinrichtung 34 verbunden, und der Wasserstoff im Anodenabgas, der zusammen mit Verunreinigungen, wie Stickstoff, aus dem Abgasventil 28 abgeführt wird, wird von der Verdünnungseinrichtung 34 verdünnt und nach außen abgeführt.
Im Anodengas-Strömungsweg 14 ist ein Regler 46 stromabwärts vom Wasserstofftank 18 vorgesehen. Der Regler 46 regelt den Druck des Anodengases am Einlass der Brennstoffzelle 12 auf einen benötigten passenden Wert. Der Regler 46 kann ein Magnetventil sein, das bei einer hohen Frequenz angesteuert wird und das in der Lage ist, die Zeit, für die das Ventil offen ist, kontinuierlich zu ändern, ein Magnetventil (eine variable Blende), das in der Lage ist, den Öffnungsquerschnitt, den ein Gas im Gasströmungsweg passiert, zu verändern, oder ein Ventil, das in der Lage ist, die Bewegung einer Membran zu ändern.
Ein Drucksensor 42 ist stromabwärts vom Regler 14 mit dem Anodengas-Strömungsweg 14 verbunden. Ferner ist ein Drucksensor 44 stromabwärts von einer Verbindung mit dem Abgasventil 28 mit dem Anodenabgas-Strömungsweg 24 verbunden. Der Drucksensor 42 erfasst den Druck des Anodengases am Einlass der Brennstoffzelle 12 (den Einlassdruck P1), während der Drucksensor 44 den Druck des Anodenabgases am Auslass der Brennstoffzelle 12 (den Auslassdruck P2 (den Primärdruck des Abgasventils 28)) erfasst.
Wie in 1 dargestellt, ist das System der vorliegenden Erfindung mit einer ECU (elektronischen Steuereinheit) 40 versehen. Mit der ECU sind zusätzlich zu den oben beschriebenen Drucksensoren 42, 44 verschiedene Arten von Sensoren (nicht dargestellt) zum Erfassen der Ausgangsleistung (Spannungswert, Stromwert) der Brennstoffzelle 12 und dergleichen verbunden, um die Betriebsbedingung des Systems zu erfassen. Außerdem sind mit der ECU 40 der oben beschriebene Regler 46, das Abfuhrventil 38, das Abgasventil 28 und dergleichen verbunden.
Obwohl wie oben beschrieben Wasser in der Kathode erzeugt wird, wenn elektrische Leistung von der Brennstoffzelle 12 erzeugt wird, permeiert ein Teil des in der Kathode erzeugten Wassers zur Anodenseite in der Brennstoffzelle 12. Und wenn das Wasser, das zur Anode permeiert ist, in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, kann diese Stagnation manchmal den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 12 senken.
Aus diesem Grund werden in dieser Ausführungsform, um das erzeugte Wasser, das in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, abzuführen, die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodenumwälzsystems durch Öffnen des Abgasventils 28 in einem vorgegebenen Fall erhöht, wodurch das erzeugte Wasser aus dem Inneren der Brennstoffzelle 12 in den Anodenabgas-Strömungsweg 24 abgeführt wird.
Wenn das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, hemmt dies die Zufuhr des Anodengases zu einer Elektrolytmembran, und daher nimmt die Ausgangsleistung (Spannungswert, Stromwert) der Brennstoffzelle 12 ab. Wenn das Abgasventil 28 geöffnet wird, um das Wasser in der Brennstoffzelle 12 abzuführen, ist es daher möglich, eine Steuerung auf der Basis der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 durchzuführen. Wenn beispielsweise die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 unter einen vorgegebenen Wert gesunken ist, ist es bevorzugt, das erzeugte Wasser, das in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, durch Öffnen des Abgasventils 28 abzuführen.
Beim Abführen des erzeugten Wassers aus dem Inneren der Brennstoffzelle 12 durch vorübergehende Vergrößerung der Öffnung des Reglers 46 gegenüber normalen Zeiten synchron mit der Ventil-Öffnungszeitsteuerung des Abgasventils 28 wird der Druck des Anodengases, das der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, auf ein Niveau erhöht, das höher ist als zu normalen Zeiten. Infolgedessen steigen die Strömungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases, wodurch es möglich ist, das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 12 in kurzer Zeit abzuführen. Daher ist es möglich, die Abnahme des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung aufgrund der Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, zu verringern, und es ist möglich, den Wirkungsgrad des Systems und den Kraftstoffverbrauch zu verbessern.
Wenn der Druck des Anodengases nicht erhöht wird, ist es notwendig, das Abgasventil 28 für lange Zeit zu öffnen, um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12 abzuführen. Gemäß dem Verfahren dieser Ausführungsform können jedoch die Strömungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases durch Erhöhen des Drucks des Anodengases gesteigert werden, und daher ist es möglich, die Zeit, für die das Abgasventil 28 offen ist, wenn das erzeugte Wasser aus der Brennstoffzelle 12 abgeführt wird, zu minimieren. Daher ist es möglich, die Menge an nicht-umgesetztem Wasserstoff im Anodenabgas, das aus dem Strömungsweg 36 abgeführt wird, zu minimieren, und eine Abnahme des Wirkungsgrads des Systems und der Kraftstoffverbrauch können verringert werden.
Wenn ein Spülung durchgeführt worden ist, ohne den Druck des Anodengases zu erhöhen, ist es nötig, das Anodenabgas mit einer höheren Strömungsrate auszulassen, um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12 abzuführen, und daher ist ein großes Abgasventil 28, das sich für die Strömungsrate des Abgases eignet, nötig. In dieser Ausführungsform kann jedoch die Strömungsrate des Abgases durch Erhöhen des Drucks des Anodenabgases gesteigert werden, und daher ist es möglich, eine gewünschte Strömungsrate des Abgases auch in dem Fall sicherzustellen, dass das Abgasventil 28 verkleinert wird. Im Vergleich zu dem Fall, dass der Druck des Anodenabgases nicht erhöht wird, ist es daher möglich, das Abgasventil 28 zu verkleinern, und es ist möglich, den Einbauraum des Abgasventils 28 zu verkleinern und die Kosten der Bauteile zu senken.
Der Druck des Anodengases wird durch den Regler 46 nur dann erhöht, wenn das erzeugte Wasser aus dem Inneren der Brennstoffzelle 12 abgeführt wird. Daher wird das unter hohem Druck stehende Anodengas der Brennstoffzelle 12 nicht konstant zugeführt, und es ist möglich, eine Abnahme der Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle 12 zu verringern.
Da die Druckerhöhung des Anodengases mittels des Reglers 46 durchgeführt wird, der üblicherweise im Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen ist, ist es nicht nötig, neue Teile für die Druckerhöhung hinzuzufügen. Daher kann ein System, das die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12 abführt, gebaut werden, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen.
Die 2(A) und 2(B) sind Zeitdiagramme, welche die Beziehung zwischen der Ventil-Öffnungszeitsteuerung des Abgasventils 28 und dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2, die von den Drucksensoren 42, 44 erfasst werden, darstellen. 2(A) zeigt einen Fall, wo der Druck des Anodengases gemäß der Öffnungszeitsteuerung des Abgasventils 28 anhand des Verfahrens dieser Ausführungsform erhöht wird. Zum Vergleich zeigt 2(B) einen Fall, wo der Druck des Anodengases nicht erhöht wird, wenn das Abgasventil 28 geöffnet wird, sondern der Druck wie zu normalen Zeiten beibehalten wird.
In den 2(A) und 2(B) werden der Einlassdruck P1 und der Auslassdruck P2 mit durchgezogenen Linien angezeigt. In dieser Ausführungsform wird die Öffnung des Reglers 46 auf der Basis eines Zielwerts für den Einlassdruck P1 (des Ziel-Einlassdrucks) angepasst, und in 2(A) wird der Ziel-Einlassdruck mit einer gestrichelten Linie zusammen mit dem Einlassdruck P1 dargestellt. Wie in den 2(A) und 2(B) dargestellt, kommt es innerhalb der Brennstoffzelle 12 zu einem Druckverlust, und daher sinkt der Auslassdruck P2 unter den Einlassdruck P1.
Wie in den 2(A) und 2(B) dargestellt, wird während eines Normalbetriebs der Ziel-Einlassdruck auf P0 gesetzt und der Einlassdruck P1 wird auf den Druck P0 geregelt. Der Ziel-Einlassdruck wird gemäß den Betriebsbedingungen des Systems, wie der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 und der Temperatur der Brennstoffzelle 12, bestimmt und wird außer bei der Ventilöffnung des Abgasventils 28 auf den festen Wert P0 gesteuert. Genauer wird der Druck P0 auf einen niedrigeren Druck eingestellt, der in einem solchen Bereich liegt, dass der Betrieb der Brennstoffzelle 12 vollständig möglich ist. Dadurch kann die Belastung der Brennstoffzelle 12 durch den Druck des Anodengases gesenkt werden, und es ist möglich, einen Durchtritt von Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 12 zu unterdrücken und die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle 12 zu verbessern.
Wie in den 2(A) und 2(B) dargestellt, wird das Abgasventil 28 zum Zeitpunkt t1 geöffnet, um das erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle 12 abzuführen, und zum Zeitpunkt t2 geschlossen. Im Verfahren dieser in 2(A) dargestellten Ausführungsform wird der Ziel-Einlassdruck auf einen Wert erhöht, der größer ist als P0, und zwar zu einem Zeitpunkt t0, der vor dem Zeitpunkt t1 liegt, zu dem das Abgasventil 28 geöffnet wird. Infolgedessen wird die Öffnung des Reglers 46 zum Zeitpunkt t0 vorübergehend größer eingestellt als normalerweise, und ab dem Zeitpunkt t0 steigen sowohl der Einlassdruck P1 als auch der Auslassdruck P2. Und schließlich erreicht der Einlassdruck P1 den Ziel-Einlassdruck, der erhöht worden ist.
Nachdem der Einlassdruck P1 den Ziel-Einlassdruck erreicht hat, wird das Abgasventil 28 zum Zeitpunkt t1 geöffnet. Gleichzeitig wird auf der Einlassseite der Brennstoffzelle 12 der eingestellte Druck des Reglers 46 auf ein Niveau eingestellt, das höher ist zu normalen Zeiten. Ferner kommt es zu Druckverlusten in der Brennstoffzelle 12, und das Innere der Brennstoffzelle 12 ist ein Pufferraum und sorgt für einen Widerstand bei der Passage des Gases. Daher sinkt der erhöhte Einlassdruck P1 nicht sofort auf einmal nach dem Öffnen des Abgasventils 28 zum Zeitpunkt t1, und der Zustand, dass der Einlassdruck P1 erhöht ist, dauert an.
Weil am Auslass der Brennstoffzelle 12 der Anodenabgas-Strömungsweg 24 durch Öffnen des Abgasventils 28 zur Atmosphärenseite hin offen ist, steigt der Differentialdruck am Einlass und am Auslass des Abgasventils 28, und die Strömungsrate des abgeführten Anodenabgases nimmt zu. Infolgedessen sinkt der Druck im Anodenabgas-Strömungsweg 24 abrupt.
Daher wird unmittelbar nach dem Öffnen des Abgasventils 28 zum Zeitpunkt t1 das Abnahmeverhältnis des Auslassdrucks P2 höher als das Abnahmeverhältnis des Einlassdrucks P1. Aus diesem Grund nimmt der Differentialdruck ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 zu, und es wird möglich, die Strömungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 zu erhöhen. Wenn das erzeugte Wasser im Anodengas-Strömungsweg in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, ist es infolgedessen möglich, das erzeugte Wasser sofort zum Anodenabgas-Strömungsweg 24 abzuführen, weil eine erhöhte Gasströmungsrate und -strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Dadurch kann eine Abnahme des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung, die durch die Stagnation des erzeugten Wassers in der Brennstoffzelle 12 bewirkt wird, positiv verringert werden.
Wenn das Abgasventil 28 zum Zeitpunkt t2 geschlossen wird, wird der Ziel-Einlassdruck auf P0 eingestellt und die Öffnung des Reglers 46 kehrt zu einer Bedingung zurück, die zu normalen Zeiten gegeben ist. Und ab dem Zeitpunkt t2 wird der Einlassdruck P1 auf den Druck P0 geregelt.
In einem Brennstoffzellensystem ist es günstig, den Druck des Wasserstoffgases, das in das Innere der Brennstoffzelle geführt wird, so weit wie möglich zu senken, um den Wirkungsgrad der Gasausnutzung durch Verringern der Durchlässigkeit wegen einer Elektrolytmembran zu verbessern, oder um die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit einer Membran in einem Brennstoffzellenstapel zu verbessern. Wenn der Gasdruck gesenkt wird, nimmt jedoch der Differentialdruck zwischen dem Anodengasdruck und dem Atmosphärendruck ab, und die Abfuhrströmungsrate sinkt, wenn ein Abfuhrventil geöffnet wird. Aus diesem Grund nimmt der Differentialdruck zwischen dem Einlass und dem Auslass der Brennstoffzelle ab, und die Feuchtigkeit neigt dazu, in der Brennstoffzelle zurückzubleiben, wodurch das Problem entsteht, dass die Wasserabfuhrleistung aus der Brennstoffzelle sinkt. Daher ist es schwierig, gleichzeitig eine Verbesserung des Wirkungsgrads, der Haltbarkeit und der Zuverlässigkeit der Brennstoffzelle und eine Verbesserung der Wasserabfuhrleistung zu erreichen.
Um diese Probleme zu lösen, ist es mit dem Verfahren dieser Ausführungsform, bei dem der Druck des Anodengases nur dann erhöht wird, wenn die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12 abgeführt wird, zu normalen Zeiten möglich, das System zu betreiben, während der Gasdruck gesenkt bleibt. Daher ist es unnötig, den Anodengasdruck zu normalen Zeiten auf ein einigermaßen hohes Niveau einzustellen, um die Wasserabfuhrleistung von der Brennstoffzelle 12 zu verbessern, und es ist möglich, das Auftreten einer Durchlässigkeit in der Brennstoffzelle 12 zu unterdrücken, und es ist möglich, den Wirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Ferner ist es durch Senken des Anodengasdrucks zu normalen Zeiten möglich, den Differentialdruck zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle 12 und den Differentialdruck zwischen der Anode und dem Atmosphärendruck zu senken, und es ist möglich, die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle 12 zu verbessern.
Dagegen wird nach den Kennwerten der 2(B) der Ziel-Einlassdruck konstant beim festen Wert P0 gehalten und der Einlassdruck P1 wird während des Öffnens des Abgasventils 28 nicht erhöht, und daher ist Strömungsgeschwindigkeit vom Abgasventil 28 niedrig. Daher sinken der Einlassdruck P1 und der Auslassdruck P2 synchron mit dem Öffnen des Abgasventils 28, und das Abnahmeverhältnis des Einlassdrucks P1 und des Auslassdrucks P2 liegen ab dem Zeitpunkt t1 in der gleichen Größenordnung. Daher ist der Differentialdruck Δ12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 im Vergleich zu dem Fall von 2(A) klein. Aus diesem Grund sind die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 niedriger als im Fall von 2(A), und es ist nicht möglich, das erzeugte Wasser, das in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, positiv abzuführen.
Gemäß dieser Ausführungsform wird es daher durch Erhöhen des Einlassdrucks P1 beim Öffnen des Abgasventils 28 möglich, das erzeugte Wasser, das in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, abzuführen, und eine Abnahme des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung kann positiv verringert werden.
Die 3(A) bis 3(C) sind Zeitdiagramme, die ein Beispiel zeigen, in dem der Zieldruck anhand eines Verfahrens eingestellt wird, das sich von den in den 2(A) und 2(B) dargestellten Verfahren unterscheidet. In 3(A) wird die Druckerhöhung des Einlassdrucks P1 bis zum Zeitpunkt t1 auf die gleiche Weise durchgeführt wie in 2(A), der Ziel-Einlassdruck wird auf einen vorgegebenen Wert gesenkt, der höher ist als P0, nachdem eine vorgegebene Zeit T ab dem Zeitpunkt t1 vergangen ist, und der Ziel-Einlassdruck wird zum Zeitpunkt t2 wieder auf P0 zurückgebracht, wodurch der Ziel-Einlassdruck ab dem Zeitpunkt t1 in zwei Schritten gesenkt wird. Da, wie oben beschrieben, der Auslassdruck P2 synchron mit dem Öffnen des Abgasventils 28 abnimmt und die Gasströmungsrate und die Gasgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 unmittelbar nach dem Öffnen des Abgasventils 28 ein Maximum erreichen, kann auch in dem Fall, dass der Ziel-Einlassdruck gesenkt wird, nachdem die vorgegebene Zeit T ab dem Zeitpunkt t1 vergangen ist, wie oben beschrieben, das Wasser aus der Brennstoffzelle 12 während der vorgegebenen Zeit T abgeführt werden. Aufgrund des Öffnens des Abgasventils 28 nehmen der Einlassdruck P1 und der Auslassdruck P2 im Laufe der Zeit außerdem zwangsläufig ab, und daher kommt es zu keinen Problemen, wenn der Ziel-Einlassdruck gesenkt wird. Daher kann gemäß dem Verfahren der 3(A) durch Senken des Ziel-Einlassdrucks in kurzer Zeit nach dem Öffnen des Abgasventils 28 die Zeit, für die der Gasdruck in der Brennstoffzelle 12 erhöht wird, minimiert werden, das Auftreten einer Durchlässigkeit kann unterdrückt werden, und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Brennstoffzelle 12 können verbessert werden. Da der Ziel-Einlassdruck in zwei Schritten geändert wird, wird die Druckänderung nach dem Öffnen des Abgasventils 28 verlangsamt, und es ist möglich, eine schnelle Druckänderung in der Brennstoffzelle 12 zu unterdrücken. Daher kann die Erzeugung einer mechanischen Belastung der Brennstoffzelle 12, die auf eine Druckänderung zurückgeht, unterdrückt werden.
In 3(B) wird der Ziel-Einlassdruck während der Druckerhöhung in einem vorgegebenen Verhältnis allmählich erhöht, so dass der Einlassdruck P1 und der Auslassdruck P2 zum Zeitpunkt t1, wenn das Abgasventil 28 geöffnet wird, ein Maximum erreichen. Der Ziel-Einlassdruck wird ab dem Zeitpunkt t1 allmählich gesenkt, und der Ziel-Einlassdruck wird nahe dem Zeitpunkt t2, zu dem das Abgasventil 28 geschlossen wird, auf P0 zurückgeführt. Da während der Druckerhöhung keine abrupte Druckänderung stattfindet, ist es in diesem Fall möglich, den Spitzenwert des Ziel-Einlassdrucks auf ein höheres Niveau einzustellen. Dadurch kann die Strömungsrate des Anfangsabgases unmittelbar nach dem Öffnen des Abgasventils 18 erhöht werden, und die Drucksenkung des Auslassdrucks P2 kann noch mehr gesteigert werden. Da der Differentialdruck ΔP12 größer wird und die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 erhöht werden können, ist es daher möglich, die Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, in kurzer Zeit abzuführen. Da der Ziel-Einlassdruck ab dem Zeitpunkt t1 allmählich gesenkt wird, kann der Druckanstieg des Gases in der Brennstoffzelle 12 während des Öffnens des Abgasventils 28 minimiert werden. Daher kann das Auftreten einer Durchlässigkeit unterdrückt werden, und die Zuverlässigkeit und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 12 können erhöht werden. Da die Druckänderung nach dem Öffnen des Abgasventils 28 verlangsamt werden kann, wie im Fall von 3(A), ist es ferner möglich, eine abrupte Druckänderung in der Brennstoffzelle 12 zu unterdrücken, und es ist möglich, die Erzeugung einer mechanischen Belastung der Brennstoffzelle 12, die auf eine Druckänderung zurückgeht, zu verhindern.
In 3(C) wird der Ziel-Einlassdruck zum Zeitpunkt t1, zu dem das Abgasventil 28 geöffnet wird, erhöht. Infolgedessen steigt der Einlassdruck P1 ab dem Zeitpunkt t1, und der Auslassdruck P2 sinkt, weil Gas aus dem Abgasventil 28 ausgelassen wird. Daher kann der Differentialdruck ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 erhöht werden, und es ist möglich, die Gasströmungsrate und die Strö mungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 zu erhöhen. Infolgedessen wird es möglich, das erzeugte Wasser, das in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, positiv abzuführen.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der 1. Ausführungsform der Druck des Anodengases durch Anpassen der Öffnung des Reglers beim Öffnen des Abgasventils 28 erhöht, und es ist möglich, den Differentialdruck ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 zu erhöhen. Daher können die Strömungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases in der Brennstoffzelle 12 erhöht werden, und es ist möglich, die Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, positiv abzuführen. Als Folge davon kann verhindert werden, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung aufgrund der Stagnation des erzeugten Wassers in der Brennstoffzelle 12 sinkt.
In der oben beschriebenen 1. Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung in einem Gasumwälzsystem durchgeführt, welches das Anodenabgas wieder zur Anode umwälzt, um den Wirkungsgrad der Wasserstoffnutzung zu erhöhen. Das Brennstoffzellensystem, das verwendet werden kann, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das heißt, die vorliegende Erfindung kann auch durch Öffnen und Schließen eines Abfuhrventils, das in einem Anodenabgas-Strömungsweg in einem Sackleitungs-Brennstoffzellensystem vorgesehen ist, durchgeführt werden.
2. Ausführungsform
Nun wird die 2. Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 4 ist eine Skizze, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 beschreibt, das auf die 2. Ausführungsform bezogen ist. Wie in 4 dargestellt, ist im System der 2. Ausführungsform ein Abgas/Ablauf-Ventil 48 mit einem Gas/Flüssigkeit-Separator 26 verbunden. Das Abgas/Ablauf-Ventil 48 ist über einen Strömungsweg 50 mit einer Verdünnungseinrichtung 34 verbunden. Das Abgas/Ablauf-Ventil 48 hat die Funktion, sowohl Feuchtigkeit als auch verunreinigende Gase, wie Stickstoff, aus dem Inneren eines Anodenumwälzsystems abzuführen. Daher ist im System von 4 das Abgasventil 28 von 1 nicht vorgesehen. Andere Bauteile des Systems der 2. Ausführungsform sind die gleichen wie in der 1. Ausführungsform.
In der 2. Ausführungsform werden, wenn große Mengen an verunreinigenden Komponenten, wie Stickstoff (N₂), und Wasser (H₂O) im Anodenumwälzsystem enthalten sind, diese Komponenten durch intermittierendes Öffnen des Abgas/Ablauf-Ventils 48 zum Strömungsweg 50 abgeführt. Beim Abführen von Stickstoff und Wasser aus dem Anodenumwälzsystem wird auf die gleiche Weise wie in der 1. Ausführungsform das Abgas/Ablauf-Ventil 48 geöffnet, um zu verhindern, dass die Verunreinigungskonzentrationen des Anodenumwälzsystems über die vorgeschriebenen Werte steigen, oder um zu vermeiden, dass die Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle 12 unter einen vorgegebenen Standardwert sinkt. Wenn das Abgas/Ablauf-Ventil 48 geöffnet wird, wird die Feuchtigkeit, die sich im Gas/Flüssigkeit-Separator 26 gesammelt hat, zuerst zum Strömungsweg 50 abgeführt, und dann wird das Anodenabgas in einem Anodenabgas-Strömungsweg 24 zum Anodenabgas-Strömungsweg 50 abgeführt. Das Anodenabgas, das zum Strömungsweg 50 abgeführt wird, wird in der Verdünnungseinrichtung 34 auf die gleiche Weise verdünnt wie in der 1. Ausführungsform und einem Auspufftopf 32 zugeführt.
Wie oben beschrieben, weist in der 2. Ausführungsform das Abgas/Ablauf-Ventil 48 die Funktion auf, sowohl die Feuchtigkeit als auch die verunreinigenden Gase im Anodenabgas abzuführen. Daher ist es möglich, sowohl die Feuchtigkeit aus auch die verunreinigenden Gase, die im Anodenabgas enthalten sind, einfach durch Vorsehen nur eines Abgas/Ablaufventils 48 abzuführen. Daher kann die Zahl der Teile, aus denen das System besteht, minimiert werden, und es wird möglich, die Herstellungskosten zu verringern.
Auch in der 2. Ausführungsform wird beim Abführen der Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, das Abgas/Ablauf-Ventil 48 geöffnet, wobei der Gasdruck im Anodenumwälzsystem durch die Steuerung mittels eines Reglers 46 hoch gehalten wird. Infolgedessen ist es aufgrund des Differentialdrucks ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 möglich, die Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, zum Anodenabgas-Strömungsweg 24 abzuführen. Wie bei der 1. Ausführungsform kann eine Beurteilung, ob Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist oder nicht, auf der Basis der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 12 getroffen werden.
5 ist eine Zeitdiagramm, das die Beziehung zwischen der Ventil-Öffnungszeitsteuerung des Abgas/Ablauf-Ventils 48 und Druckwerten, die von den Drucksensoren 42, 44 erfasst werden, zeigt. Auf die gleiche Weise wie in der 1. Ausführungsform wird der Ziel-Einlassdruck zum Zeitpunkt t0 erhöht. Und nachdem der Einlassdruck P1 den Ziel-Einlassdruck, der erhöht worden ist, erreicht hat, d.h. nachdem die Druckerhöhung des Anodenabgases abgeschlossen wurde, wird das Abgas/Ablauf-Ventil 48 zum Zeitpunkt t1 geöffnet.
Wenn das Abgas/Ablauf-Ventil 48 geöffnet wird, wird zuerst die Feuchtigkeit, die sich im Gas/Flüssigkeit-Separator 26 gesammelt hat, zum Strömungsweg 50 abgeführt. Und wenn die Abführung der Feuchtigkeit, die sich im Gas/Flüssigkeit-Separator 26 gesammelt hat, abgeschlossen ist, wird anschließend das Anodenabgas vom Abgas/Ablauf-Ventil 48 zum Strömungsweg 50 abgeführt.
In 5 zeigt ein Zeitpunkt t3 an, wann die Abführung der Feuchtigkeit aus dem Gas/Flüssigkeit-Separator 26 abgeschlossen ist. Da in der Zeit vom Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t3 die Feuchtigkeit im Gas/Flüssigkeit-Separator 26 zum Strömungsweg 50 abgeführt wird und kein Gas vom Anodenumwälzsystem abgeführt wird, bleiben die Werte des Einlassdrucks P1 und des Auslassdrucks P2 im erhöhten Druckbereich. Da nach dem Zeitpunkt t3 das Anodenabgas zum Strömungsweg 50 abgeführt wird, ändern sich der Einlassdruck P1 und der Auslassdruck P2. Daraus folgt, dass in der 2. Ausführungsform das Anodenabgas ab dem Zeitpunkt t3 abgeführt wird. Wenn man sich ansieht, wann das Anodenabgas abgeführt wird, entspricht der Zeitpunkt t3 der 2. Ausführungsform dem Zeitpunkt t2 der 1. Ausführungsform.
Da zum Zeitpunkt t3 der Einlassdruck P1 erhöht worden ist und der Auslassdruck P2 sinkt, weil Gas aus dem Abgas/Ablauf-Ventil 48 ausgelassen wird, steigt der Differentialdruck ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 aus den gleichen Gründen wie in der 1. Ausführungsform an. Daher ist es ebenso wie in der 1. Ausführungsform möglich, die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 zu erhöhen, und es ist möglich, die Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, zum Anodenabgas-Strömungsweg 24 abzuführen. Infolgedessen ist es möglich, die Abnahme des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 12, die auf die Stagnation des erzeugten Wassers zurückgeht, positiv zu verringern.
Da der Auslassdruck P2 ab dem Zeitpunkt t3 sinkt, ist es möglich, auf der Basis des Auslassdrucks P2 eine Entscheidung zu treffen, ob der Zeitpunkt t3 gekommen ist oder nicht. Daher wird, wenn eine Steuerung zum Schließen des Abgas/Ablauf-Ventils 48 durchgeführt wird, nachdem eine vorgegebene Zeit nach dem Zeitpunkt t3 vergangen ist, vorzugsweise auf der Basis des Auslassdrucks P2 entschieden, ob der der Zeitpunkt t3 gekommen ist oder nicht. Da der Gasdruck im Strömungsweg 50 abrupt steigt, wenn zum Zeitpunkt t3 ein Ablassen von Gas zum ersten Strömungsweg 50 durchgeführt wird, kann man sich eines Verfahrens bedienen, das die Bereitstellung eines Sensors, der den Gasdruck im Strömungsweg 50 erfasst, und das Treffen einer Entscheidung, ob der Zeitpunkt t3 gekommen ist, auf der Basis der erfassten Werte dieses Sensors umfasst.
Auch in der 2. Ausführungsform kann ebenso wie in der 1. Ausführungsform die Steuerung des Ziel-Einlassdrucks variabel gemacht werden. Dabei entspricht, wie oben beschrieben, der Zeitpunkt t2 der 2. Ausführungsform dem Zeitpunkt t1 der 1. Ausführungsform. Wenn der Ziel-Einlassdruck beispielsweise gesteuert wird wie in 3(A) dargestellt, reicht es aus, wenn lediglich der Ziel-Einlassdruck gesenkt wird, nachdem eine vorgegebene Zeit T nach dem Zeitpunkt t3 vergangen ist. Wenn die Steuerung der 3(B) durchgeführt wird, wird die Steuerung so durchgeführt, dass der Ziel- Einlassdruck zum Zeitpunkt t3 einen Spitzenwert erreicht. Wenn die Steuerung der 3(C) durchgeführt wird, wird vorzugsweise der Ziel-Einlassdruck ab dem Zeitpunkt t3 erhöht.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der 2. Ausführungsform in dem System, das mit dem Abgas/Ablauf-Ventil 48 ausgestattet ist, welches die Funktion hat, sowohl die Feuchtigkeit als auch verunreinigende Gase abzuführen, der Druck des Anodengases durch Einstellen der Öffnung des Reglers 46 beim Öffnen des Abgas/Ablauf-Ventils 48 erhöht, und daher kann der Differentialdruck ΔP12 zwischen dem Einlassdruck P1 und dem Auslassdruck P2 der Brennstoffzelle 12 erhöht werden. Daher können die Strömungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit des Anodengases in der Brennstoffzelle 12 erhöht werden, und es wird möglich, die Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückgeblieben ist, positiv abzuführen. Infolgedessen kann verhindert werden, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung aufgrund der Stagnation des erzeugten Wassers in der Brennstoffzelle 12 abnimmt.
Andere
Die Aufgabe kann auch im folgenden Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst werden.
Ein Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt;
ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Gasumwälzsystem vorgesehen ist, das der Brennstoffzelle Anodengas zuführt,
ein Druckerhöhungsmittel, das stromaufwärts von der Brennstoffzelle vorgesehen ist und den Gasdruck im Gasumwälzsystem erhöht; und
ein Steuermittel zum Öffnen des Abfuhrventils durch Erhöhen des Gasdrucks mittels des Druckerhöhungsmittels auf ein Niveau, das höher ist als zu normalen Zeiten.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Die Feuchtigkeitsmenge, die aus einer Brennstoffzelle abgeführt wird, wird anhand einer einfachen Konstruktion erhöht.
Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 12 auf, die elektrische Leistung erzeugt, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt; ein Abgasventil 28, das stromabwärts von der Brennstoffzelle 12 in einem Gasumwälzsystem vorgesehen ist, das der Brennstoffelle 12 Anodengas zuführt; einen Regler 46, der stromaufwärts von der Brennstoffzelle 12 im Gasumwälzsystem vorgesehen ist und der den Gasdruck im Gasumwälzsystem erhöht; sowie eine ECU 40, die das Abgasventil 28 öffnet, wobei der Gasdruck mittels des Reglers 46 auf einem Niveau gehalten wird, das höher ist als zu normalen Zeiten. Infolgedessen können die Gasströmungsrate und die Strömungsgeschwindigkeit in der Brennstoffzelle 12 erhöht werden, und es wird möglich, die Abfuhrmenge der Feuchtigkeit, die in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, zu erhöhen.

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzelle
14: Anodengas-Strömungsweg
24: Anodenabgas-Strömungsweg
26: Gas/Flüssigkeit-Separator
28: Abgasventil
40: ECU
46: Regler
48: Abgas/Ablauf-Ventil

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Leistung, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt; ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Strömungsweg des Anodensystems vorgesehen ist, auf dem das Anodengas zur Brennstoffzelle geführt und von dieser abgeführt wird; ein Druckerhöhungsmittel zum Erhöhen eines Gasdrucks im Strömungsweg des Anodensystems; und ein Steuermittel zum Betätigen des Abfuhrventils und des Druckerhöhungsmittels, so dass der Gasdruck zumindest für einen Teil eines Zeitraums, in dem das Abfuhrventil offen ist, auf ein Niveau erhöht wird, das höher ist als zu normalen Zeiten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Gasdruck mittels des Druckerhöhungsmittels erhöht gehalten wird, wenn das Steuermittel das Abfuhrventil öffnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Steuermittel die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels zu einem Zeitpunkt beginnt, zu dem das Abfuhrventil geöffnet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Steuermittel einen Zielwert für die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels senkt, während das Öffnen des Abfuhrventils im Gange ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Strömungsweg des Anodensystems einen Anodengas-Strömungsweg aufweist, auf dem ein Anodengas von einer Anodengas-Versorgungsquelle zur Anode geliefert wird, sowie einen Anodenabgas-Strömungsweg, auf dem ein Anodenabgas von der Anode weggeführt wird, wobei das Druckerhöhungsmittel eine Regler aufweist, der einen Primärdruck eines Anodengases im Anodengas-Strömungsweg auf einen zweiten Druck regelt, bei dem es sich um einen Zieldruck handelt, und der die Öffnung des Reglers vorübergehend größer macht als zu normalen Zeiten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, ferner aufweisend: einen Drucksensor zum Erfassen des Gasdrucks des Anodengas-Strömungswegs, wobei das Druckerhöhungsmittel die Öffnung des Reglers so einstellt, dass der Gasdruck im Anodengas-Strömungsweg einen Zielwert für die Druckerhöhung erreicht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei es sich bei dem Strömungsweg des Anodensystems um ein Gasumwälzsystem handelt, ferner eine Umwälzeinrichtung zum Einführen eines Anodenabgases vom Anodenabgas-Strömungsweg in den Anodengas-Strömungsweg aufweisend.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, ferner aufweisend: einen Gas/Flüssigkeit-Separator zum Sammeln von Feuchtigkeit von einem Gas im Gasumwälzsystem, wobei das Abfuhrventil mit dem Gas/Flüssigkeit-Separator verbunden ist und sowohl dazu dient, Feuchtigkeit, die sich im Gas/Flüssigkeit-Separator gesammelt hat, auszutragen, als auch dazu, das Gas im Gasumwälzsystem auszulassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Regler stromaufwärts von einer Stelle vorgesehen ist, wo das Anodenabgas in den Anodenabgas-Strömungsweg eingeführt wird.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischer Leistung, nachdem bewirkt wurde, dass eine Anode ein wasserstoffhaltiges Anodengas empfängt, und bewirkt wurde, dass eine Kathode ein sauerstoffhaltiges Kathodengas empfängt; ein Abfuhrventil, das stromabwärts von der Brennstoffzelle in einem Strömungsweg des Anodensystems vorgesehen ist, auf dem das Anodengas zur Brennstoffzelle geführt und von dieser abgeführt wird; ein Druckerhöhungsmittel zum Erhöhen eines Gasdrucks im Strömungsweg des Anodensystems; und ein Steuermittel zum Betätigen des Abfuhrventils und des Druckerhöhungsmittels, so dass der Gasdruck zumindest für einen Teil eines Zeitraums, in dem das Abfuhrventil offen ist, auf ein Niveau erhöht wird, das höher ist als zu normalen Zeiten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Gasdruck mittels des Druckerhöhungsmittels erhöht gehalten wird, wenn das Steuermittel das Abfuhrventil öffnet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Steuermittel die Druckerhöhung mittels des Druckerhöhungsmittels zu einem Zeitpunkt beginnt, zu dem das Abfuhrventil geöffnet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Strömungsweg des Anodensystems einen Anodengas-Strömungsweg aufweist, auf dem ein Anodengas von einer Anodengas-Versorgungsquelle zur Anode geliefert wird, sowie einen Anodenabgas-Strömungsweg, auf dem ein Anodenabgas von der Anode weggeführt wird, wobei das Druckerhöhungsmittel eine Regler aufweist, der einen Primärdruck eines Anodengases im Anodengas-Strömungsweg auf einen zweiten Druck regelt, bei dem es sich um einen Zieldruck handelt, und der die Öffnung des Reglers vorübergehend größer macht als zu normalen Zeiten.