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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein
bewegliches Objekt.
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Stand der Technik
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Derzeit
wird ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung elektrischer
Leistung vorgeschlagen und praktisch benutzt, das zur Erzeugung
elektrischer Energie mit Reaktionsgasen (ein Brenngas und ein Oxidationsgas)
versorgt wird. Wenn die elektrische Leistung durch ein solches Brennstoffzellensystem
erzeugt wird, wird durch die elektrochemische Reaktion Feuchtigkeit
in der Brennstoffzelle erzeugt und diese Feuchtigkeit verbleibt
in den Kanälen der Brennstoffzelle für das Reaktionsgas
mit dem Ergebnis, daß die Strömung des Reaktionsgases
möglicherweise behindert wird. Wenn das Brennstoffzellensystem
bei niedriger Umgebungstemperatur betrieben wird, wie einer Temperatur
unter dem Gefrierpunkt, gefriert die in Elektroden (einer Katalysatorschicht
und eine Diffusionsschicht) verbleibende Feuchtigkeit und verschlechtert
in manchen Fällen die Durchführung des Startvorgangs
erheblich.
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Als
konventionelle Technologie zur Überwindung verschiedener,
durch die in der Brennstoffzelle in dieser Weise erzeugte Feuchtigkeit
verursachter Probleme wird eine Technologie (Spültechnologie) vorgeschlagen,
bei der trockener Sauerstoff oder trockener Wasserstoff in die Kanäle
für das Reaktionsgas eingeführt wird, wenn die
Aktion der Brennstoffzelle gestoppt wird, um dadurch die Feuchtigkeit
aus der Brennstoffzelle zu entfernen. In den letzten Jahren wurde
vorgeschlagen, eine Spülaktion derart durchzuführen,
daß ein in Elektrolytfilmen der Brennstoffzelle eingeschlossener
Feuchtigkeitsgehalt abgeschätzt wird, und eine zugeordnete
Vorrichtung (ein Kompressor, eine Pumpe, etc.) derart angetrieben
und gesteuert wird, daß diese geschätzte Feuchtigkeit
einen vorgegebenen Wert annimmt (siehe beispielsweise die
japanische ofengelegte Patentanmeldung
Nr. 2004-158274 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Zusätzlich
wird, wenn die Aktion der Brennstoffzelle gestoppt wird, durch Antrieb
und Steuerung eines Kompressors oder eines Motors durch die von einem
Leistungsspeicher, wie einer Sammelbatterie, zugeführte
elektrische Leistung eine Spülaktion durchgeführt,
jedoch verschlechtert sich die Fähigkeit des Leistungsspeichers
zur Leistungsspeicherung bei niedriger Umgebungstemperatur, wie
einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt. Deshalb kann die Spülaktion
bei niedriger Umgebungstemperatur nicht zufriedenstellend durchgeführt
werden, selbst wenn eine Technologie angewandt wird, wie sie in der
oben genannten Veröffentlichung beschrieben ist, so daß Feuchtigkeit
in der Brennstoffzelle zurückbleibt und die Brennstoffzelle
in manchen Fällen nicht effizient gestartet werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts solcher Situationen entwickelt
und es ist ihre Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen,
dessen Brennstoffzelle selbst bei niedriger Umgebungstemperatur
effizient gestartet werden kann.
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Um
diese Aufgabe zu lösen, umfaßt ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle
zur Erzeugung elektrischer Leistung durch Reaktion eines Brenngases
mit einem Oxidationsgas und einem Leistungsspeicher, gestaltet zur
Durchführung einer Spülaktion, wenn die Aktion
der Brennstoffzelle gestoppt wird, um Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle
abzuführen durch Zuführung eines Gases in die
Brennstoffzelle mittels einer aus dem Leistungsspeicher zugeführten Leistung,
wobei das wobei das Brennstoffzellensystem ein Steuermittel umfaßt
zur Einstellung einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle derart,
daß der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle, wenn sie
in Aktion ist, geringer ist als ein in Übereinstimmung
mit dem Zustand des Leistungsspeichers eingestellter Zielfeuchtigkeitsgehalt.
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Gemäß einer
solchen Gestaltung kann die Betriebsbedingung (die Temperatur, die
zu erzeugende Leistungsmenge, etc.) der Brennstoffzelle derart eingestellt
werden, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle,
wenn sie in Aktion ist, geringer ist als der vorab gemäß dem
Zustand des Leistungsspeichers eingestellte Zielfeuchtigkeitsgehalt.
Beispielsweise kann selbst in einem Falle, in welchem angenommen
wird, daß eine aus der Brennstoffzelle abzuführende
Feuchtigkeitsmenge wegen der Verschlechterung der Leistungsversorgungsfähigkeit aufgrund
einer sinkenden Temperatur des Leistungsspeichers geringer wird,
der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle, wenn sie in Aktion
ist, so eingestellt werden, daß er niedriger ist als ein
vorgegebener Zielfeuchtigkeitsgehalt (z. B. eine Menge die in Übereinstimmung
mit einer Temperatur des Leistungsspeichers eingestellt ist), wenn
die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle vorab auf ein niedrigeres
Niveau eingestellt ist. Deshalb ist es selbst dann, wenn die Aktion
der Brennstoffzelle bei niedriger Umgebungstemperatur gestoppt wird,
möglich, die Brennstoffzelle effizient aus einem gestoppten
Betriebszustand der Brennstoffzelle zu starten.
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Beim
oben erwähnten Brennstoffzellensystem kann das Steuermittel
den Zielfeuchtigkeitsgehalt entsprechend einer Temperatur des Leistungsspeichers
einstellen. In diesem Falle stellt das Steuermittel die Betriebsbedingung
der Brennstoffzelle auf ein niedrigeres Niveau ein, wenn de Temperatur des
Leistungsspeichers niedriger ist, so daß der Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle, wenn sie in Aktion ist, geringer ist als der
Zielfeuchtigkeitsgehalt.
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Folglich
kann, wenn die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle vorab auf das
niedrigere Niveau eingestellt wird, der Feuchtigkeitsgehalt der
Brennstoffzelle, wenn sie in Aktion ist, derart eingestellt werden,
daß sie niedriger ist als der Zielfeuchtigkeitsgehalt,
selbst wenn angenommen wird, daß die aus der Brennstoffzelle abzuführende
Feuchtigkeitsmenge aufgrund einer durch einen Temperaturabfall beim Leistungsspeicher
eingetretenen Verschlechterung der Leistungsversorgungsfähigkeit
geringer wird. Deshalb ist es selbst dann, wenn die Aktion der Brennstoffzelle
bei niedriger Umgebungstemperatur gestoppt wird, möglich,
die Brennstoffzelle effizient aus einem gestoppten Betriebszustand
der Brennstoffzelle zu starten.
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Zudem
umfaßt das Brennstoffzellensystem eine Heizung zum Beheizen
des Leistungsspeichers.
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Folglich
ist es möglich, die Leistungsversorgungsfähigkeit
des Leistungsspeichers schnell wiederherzustellen, weil der Leistungsspeicher
bei einer niedrigen Umgebungstemperatur schnell beheizt werden kann.
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Weiterhin
umfaßt ein erfindungsgemäßes bewegliches
Objekt ein oben beschriebenes Brennstoffzellensystem.
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Gemäß einer
solchen Gestaltung ist es möglich, das bewegliche Objekt
mit einer exzellenten Durchführung des Starts unter Bedingungen
mit niedriger Umgebungstemperatur zu versehen, weil das bewegliche
Objekt das Brennstoffzellensystem einschließt, das in der
Lage ist, die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle in Übereinstimmung
mit dem Zustand des Leistungsspeichers einzustellen.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, das Brennstoffzellensystem
so auszustatten, daß es befähigt ist, die Brennstoffzelle
selbst in einer Umgebung mit niedriger Temperatur effizient zu starten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Strukturdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Tabelle, welche die Beziehung zwischen der Batterietemperatur
und der abzuführenden Feuchtigkeit des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems darstellt und
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Betriebsweise des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems darstellt.
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Beste Ausführungsart
der Erfindung
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird
ein Beispiel beschrieben, bei welchem die vorliegende Erfindung
bei einem bordeigenen Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs
S (einem beweglichen Objekt) angewandt wird.
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Zunächst
wird die Gestaltung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die 1 und 2 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Brennstoffzelle 10 ein, die elektrische
Leistung durch die Versorgung mit Reaktionsgasen (Oxidationsgas
und Brenngas) erzeugt. Überdies schließt das System
ein Leitungssystem 2 für das Oxidationsgas ein,
das der Brennstoffzelle 10 Luft als Oxidationsgas zuführt,
ein Leitungssystem 3 für Wasserstoffgas, das der
Brennstoffzelle 10 ein Wasserstoffgas als Brenngas zuführt,
eine Steuervorrichtung 4, die generell das gesamte System
steuert; eine Sekundär- bzw. eine Sammelbatterie 12,
die die entsprechenden Vorrichtungen des Systems mit elektrischer
Leistung versorgt, wenn die Aktion der Brennstoffzelle 10 gestoppt
wird (wenn die Leistungserzeugung gestoppt wird) oder dergleichen;
und dergleichen.
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Die
Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, die durch
die Stapelung einer erforderlichen Anzahl von Schichten aus Zelleneinheiten
gebildet wird, die zur Erzeugung elektrischer Leistung mit den Reaktionsgasen
versorgt werden. Die von der Brennstoffzelle 10 erzeugte
Leistung wird einer Leistungssteuereinheit (PCU = power control
unit) 11 zugeführt. Die PCU 11 schließt
einen Wechselrichter ein, der die Leistung einem Antriebsmotor für
das Brennstoffzellenfahrzeug S zuführt; einen Wechselrichter,
der die Leistung verschiedenen Hilfsmaschinen, wie ein Kompressormotor
und ein Motor für die Wasserstoffpumpe, zuführt;
einen die Sammelbatterie 12 ladenden und die Leistung von
der Sammelbatterie 12 den Motoren zuführenden
Gleichstromumrichter; und dergleichen.
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Die
Sekundär- bzw. Sammelbatterie 12 führt die
elektrische Leitung dem Antriebsmotor und verschiedenen Hilfsmaschinen
zu, um dadurch leistungsmäßig eine rasche Beschleunigung
und eine intermittierende Betriebsweise (während des Stopps der
Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10) zu unterstützen.
Zusätzlich versorgt die Sammelbatterie 12 den
Kompressormotor und dergleichen mit Leistung, wenn die Aktion der
Brennstoffzelle 10 gestoppt ist, um dadurch eine Spülaktion
(Abführung der Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 10 durch
Einleitung von Gas in die Brennstoffzelle 10) zu realisieren. Das
heißt, die Sammelbatterie 12 ist eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Leistungsspeichers. Als
Sammelbatterie 12 kann eine Nickel-Wasserstoff-Zelle oder
eine Lithiumionenzelle benutzt werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist ein (nicht gezeigter)
Temperatursensor vorgesehen, der die Temperatur der Sammelbatterie 12 feststellt.
Die vom Temperatursensor ermittelte Temperatur der Sammelbatterie 12 wird
an die Steuervorrichtung 4 übertragen und zur
Steuerung der Aktion des Brennstoffzellensystems 1 eingesetzt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Heizung (ein
Heizmittel) zur Beheizung der Sammelbatterie 12 vorgesehen.
Die Aktion der Heizung wird durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert.
Das heißt, die Steuervorrichtung 4 betreibt automatisch
die Heizung, um die Sammelbatterie 12 in dem Falle zu beheizen,
in dem festgestellt wird, daß die vom Temperatursensor
ermittelte Temperatur der Sammelbatterie 12 nicht größer
ist als ein vorgegebener Wert (z. B. 20°C).
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Das
Leitungssystem 2 für das Oxidationsgas schließt
einen Luftversorgungskanal 21 ein, der der Brennstoffzelle 10 durch
einen Befeuchter 20 befeuchtetes Oxidationsgas (Luft) zuführt;
einen Luftabführkanal 22, der ein aus der Brennstoffzelle 10 abgegebenes
Oxidationsabgas dem Befeuchter 20 zuführt, und
einen Auslaßkanal 23, der das Oxidationsabgas
nach außen ableitet. Der Luftversorgungskanal 21 ist
mit einem Kompressor 24 versehen, der das Oxidationsgas
der Atmosphäre entnimmt, um es unter Druck in den Befeuchter 20 einzublasen.
Die Aktion des Kompressors 24 wird durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert.
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Das
Leitungssystem 3 für das Wasserstoffgas schließt
einen Wasserstofftank 30 als Brennstoffversorgungsquelle
ein, in der Wasserstoffgas unter hohem Druck gespeichert ist; einen
Wasserstoffversorgungskanal 31, der Wasserstoffgas aus
dem Wasserstofftank 30 der Brennstoffzelle 10 zuführt, und
einen Zirkulationskanal 32, der aus der Brennstoffzelle 10 austretendes
Wasserstoffabgas in den Wasserstoffversorgungskanal 31 zurückführt.
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Der
Wasserstoffversorgungskanal 31 ist mit einem Absperrventil 33 versehen,
das die Versorgung mit Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 30 unterbricht
oder gestattet, und einen Regler 34, der den Druck des
Wasserstoffgases regelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Regler 34 eines veränderlichen Druckregelsystems
angewandt, das befähigt ist, einen Zielwert des Versorgungsdrucks
durch einen Schrittmotor zu verändern. Aktionen des Absperrventils 33 und
des Reglers 34 werden durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert.
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Der
Zirkulationskanal 32 ist über eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 35 und
ein Entwässerungsablaßventil 36 mit einem
Auslaßkanal 37 verbunden. Die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 35 gewinnt
die Feuchtigkeit aus dem Wasserstoffabgas zurück. Das Entwässerungsablaßventil 36 wird ansprechend
auf einen Befehl aus der Steuervorrichtung 4 aktiv, um
dadurch die durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 35 zurückgewonnene Feuchtigkeit
und das Verunreinigungen enthaltende Wasserstoffabgas aus dem Zirkulationskanal 32 (reinigend)
abzuführen. Der Zirkulationskanal 32 ist mit einer
Wasserstoffpumpe 38 versehen, die das Wasserstoffabgas
des Zirkulationskanals 32 unter Druck setzt, um das Gas
in Richtung auf den Wasserstoffversorgungskanal 31 zu blasen.
Es ist zu beachten, daß das Gas aus dem Auslaßkanal 37 durch
eine nicht gezeigte Spüleinheit ausgespült und
mit dem Gas aus dem Auslaßkanal 23 vermischt wird.
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Die
Steuervorrichtung 4 empfängt Steuerinformationen,
wie ein Beschleunigungssignal (eine angeforderte Last) des Brennstoffzellenfahrzeugs
S; um die Aktionen verschiedener Vorrichtungen des Systems zu steuern.
Es ist zu beachten, daß die Steuervorrichtung 4 von
einem (nicht gezeigten) Computersystem gebildet wird. Ein solches
Computersystem schließt eine CPU, ein ROM, ein RAM, ein Festplattenlaufwerk,
eine Eingang/Ausgang-Schnittstelle, eine Anzeige und dergleichen
ein. Wenn die CPU verschiedene, im ROM gespeicherte Steuerprogramme
zu deren Durchführung ausliest, werden verschiedene Steueraktionen
realisiert.
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Insbesondere
führt die Steuervorrichtung 4 eine „Spül"-Aktion
durch, um Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 10 abzuführen,
wenn die Aktion der Brennstoffzelle 10 gestoppt wird (wenn
die Leistungserzeugung gestoppt wird), durch Antreiben und Steuern
des Kompressors 24, des Absperrventils 33 und
des Reglers 34, um das Gas (das Oxidationsgas und das Wasserstoffgas)
durch Nutzung der von der Sammelbatterie 12 bezogenen Leistung
der Brennstoffzelle 10 zuzuführen. Es ist anzumerken;
daß die Steuervorrichtung 4 zeitweilig während
der Spülaktion die Befeuchtung des Oxidationsgases durch
den Befeuchter 20 stoppt.
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Überdies
stellt die Steuervorrichtung 4 eine Betriebsbedingung der
Brennstoffzelle 10 derart ein, daß ein Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle 10, wenn sie in Betrieb ist, geringer
ist als ein in Übereinstimmung mit der Temperatur der Sammelbatterie eingestellter
Zielfeuchtigkeitswert, so daß ein geschätzter
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 nach der Spülaktion
durch die Sammelbatterie 12 geringer ist als ein startfähiger
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10. Das heißt,
die Steuervorrichtung 4 fungiert als eine Ausführungsform
des Steuermittels gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei ist der „geschätzte Feuchtigkeitsgehalt"
der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 nach der
Spülaktion, der im Hinblick auf die Spülfähigkeit
der Sammelbatterie 12 abgeschätzt wird, und der „startfähige
Feuchtigkeitsgehalt" ist der Feuchtigkeitsgehalt, mit dem die Brennstoffzelle 10 starten
kann.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform hat die Sammelbatterie 12 eine
solche Neigung, daß bei abnehmender Temperatur der Sammelbatterie 12 auch
die Spülfähigkeit der Sammelbatterie abnimmt. Beispielsweise,
wie in der Tabelle der 2 gezeigt, ist die durch die
Sammelbatterie 12 bei der Temperatur „T2" abzuführende Feuchtigkeitsmenge „Q5", während die von jeder Einzelzelle
durch die Sammelbatterie 12 abzuführende Feuchtigkeitsmenge
bei einer Temperatur „–T2"
(unterhalb des Gefrierpunkts) "Q1(< Q5)"
beträgt. Deshalb stellt unter Berücksichtigung
einer derartigen Differenz der Spülfähigkeit der
Sammelbatterie 12 die Steuervorrichtung 4 vorab
eine Betriebsbedingung in Übereinstimmung mit der Temperatur
der Sammelbatterie 12 derart ein, daß der geschätzte
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 nach der Spülaktion
durch die Sammelbatterie 12 geringer ist als der startfähige
Feuchtigkeitsgehalt.
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Wenn
beispielsweise die Temperatur der Sammelbatterie 12 „T1" beträgt, berechnet die Steuervorrichtung 4 eine
Feuchtigkeitsmenge (Q4), die entsprechend
jener Temperatur durch Verwendung der Tabelle der 2 abgeführt
werden muß. Überdies stellt die Steuervorrichtung 4 einen
startfähigen Feuchtigkeitsgehalt (Q0)
der Brennstoffzelle 4 ein und stellt als Zielfeuchtigkeitsgehalt,
wenn die Brennstoffzelle in Aktion ist, einen Wert (Q0 +
Q4) ein, der durch Addition der durch die
Sammelbatterie 12 abzuführenden Feuchtigkeitsmenge
(Q4) zum startfähigen Feuchtigkeitsgehalt
(Q0) erhalten wird. Danach stellt die Steuervorrichtung 4 die
Betriebsbedingung (die Temperatur der Brennstoffzelle 10,
die zu erzeugende Leistungsmenge und die Menge der zuzuführenden
Reaktionsgase) der Brennstoffzelle 10 derart ein, daß der
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10, wenn sie in
Aktion ist, geringer ist als der Zielfeuchtigkeitsgehalt (Q0 + Q4). Gemäß einer
solchen Steuerung kann der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle 10 nach der Spülaktion durch
die Sammelbatterie 12 so eingestellt werden, daß er
geringer ist als der startfähige Feuchtigkeitsgehalt (Q0).
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Überdies
berechnet die Steuervorrichtung, wenn die Temperatur der Sammelbatterie 12 „–T1" beträgt, eine Feuchtigkeitsmenge
(Q2(< Q4)), die unter Benutzung der Tabelle der 2 entsprechend der
Temperatur der Sammelbatterie abgeführt werden soll. Überdies
stellt die Steuervorrichtung 4 als Zielfeuchtigkeitsgehalt,
wenn sie in Aktion ist, einen Wert (Q0 +
Q2) ein, der erhalten wird, indem man zur Menge
(Q2) der durch die Sammelbatterie 12 abzuführenden
Feuchtigkeit den startfähigen Feuchtigkeitsgehalt (Q0) der Brennstoffzelle 10 addiert.
Dann stellt die Steuervorrichtung 4 die Betriebsbedingung (die
Temperatur der Brennstoffzelle 10, die zu erzeugende Leistungsmenge
und die Menge des zuzuführenden Reaktionsgases) der Brennstoffzelle 10 auf ein
vergleichsweise niedrigeres Niveau ein, so daß der Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle 10, wenn sie in Aktion ist, geringer
ist als der Zielfeuchtigkeitsgehalt (Q0 +
Q2). Gemäß einer solchen
Steuerung kann der geschätzte Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10 nach
der Spülaktion durch die Sammelbatterie 12 geringer
als der startfähige Feuchtigkeitsgehalt (Q0)
eingestellt sein.
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Anschließend
wird die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
vorliegenden Erfindung unter Bezugsnahme auf das Ablaufdiagramm
nach 3 beschrieben.
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Während
einer gewöhnlichen Aktion des Brennstoffzellensystems 1 wird
das Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 30 einem Brennstoffpol
der Brennstoffzelle 10 über den Was serstoffversorgungskanal 31 zugeführt. Überdies
wird die befeuchtete und geregelte Luft einem Oxidationspol der Brennstoffzelle 10 über
den Luftversorgungskanal 21 zugeführt, um dadurch
elektrische Leistung zu erzeugen. In diesem Falle wird die von der
Brennstoffzelle zu liefernde elektrische Leistung (erforderliche
Leistung) durch die Steuervorrichtung 4 berechnet und eine
Menge des Wasserstoffgases und der Luft wird gemäß der
zu erzeugenden Leistungsmenge in die Brennstoffzelle 10 eingeleitet.
Die Brennstoffzelle 10 befindet sich während ihrer üblichen
Aktion in ihrem feuchten Zustand. Deshalb verbleibt die Feuchtigkeit nach
dem Stoppen der Aktion der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle 10.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird nach dem Stoppen
einer solchen üblichen Aktion der Brennstoffzelle die „Spül"-Aktion durchgeführt,
um die Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 10 abzuführen.
Jedoch wird bei niedriger Umgebungstemperatur die Leistungsversorgungsfähigkeit der
Sammelbatterie 12 geringer, so daß die Spülaktion
unzureichend ausgeführt wird, und die Durchführung
des Starts sich in einigen Fällen verschlechtern kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die folgende
Aktionssteuerung durchgeführt, um eine solche Verschlechterung
der Startdurchführung zu verhindern.
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Das
heißt, daß zunächst die Steuervorrichtung 4 des
Brennstoffzellensystems 1 die Temperatur der Sammelbatterie 12 durch
den Gebrauch des Temperatursensors ermittelt (Schritt zur Feststellung der
Batterietemperatur: S1). Überdies berechnet die Steuervorrichtung 4 entsprechend
der durch den Schritt S1 zur Feststellung der Batterietemperatur
ermittelten Temperatur auf der Basis der Tabelle der 2 die
Menge der abzuführenden Feuchtigkeit (Schritt zur Berechnung
der abzuführenden Feuchtigkeitsmenge: S2). Wenn die Temperatur
der Sammelbatterie 12 beispielsweise „–T2" ist, wird die Menge der abzuführenden
Feuchtigkeit als „Q1" berechnet.
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Nachfolgend
stellt die Steuervorrichtung 4 den startfähigen
Feuchtigkeitsgehalt (Q0) der Brennstoffzelle 10 ein
und stellt als Zielfeuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle, wenn
sie in Aktion ist, einen Wert (Q0 + Q1) ein, der durch Addition des durch den Schritt
S2 zur Berechnung der abzuführenden Feuchtigkeitsmenge
berechneten, abzuführenden Feuchtigkeitsmenge (Q1) zum startfähigen Feuchtigkeitsgehalt
erhalten wird (Schritt zur Einstellung des Zielfeuchtigkeitsgehalts:
S3). Zudem stellt die Steuervorrichtung 4 die Betriebsbedingung
(die Temperatur der Brennstoffzelle 10, die zu erzeugende
Leistungsmenge und die Menge der zuzuführenden Reaktionsgase)
der Brennstoffzelle 10 derart ein, daß der Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffelle 10, wenn sie in Aktion ist, geringer
ist als der Zielfeuchtigkeitsgehalt (Q0 +
Q1), der durch den Schritt S3 zur Einstellung
des Zielfeuchtigkeitsgehalts eingestellt ist (Schritt zur Einstellung
der Betriebsbedingungen: S4). Anschließend steuert die
Steuervorrichtung 4 die Aktion der Brennstoffzelle 10 in Übereinstimmung mit
der durch den Schritt S4 zur Einstellung der Betriebsbedingungen
eingestellten Betriebsbedingung (Schritt zur Steuerung der Aktion:
S5).
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Beim
Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben
beschriebenen Ausführungsform kann die Betriebsbedingung
so eingestellt sein, daß der Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle 10,
wenn sie in Aktion ist, geringer ist als der Zielfeuchtigkeitsgehalt, der
gemäß der Temperatur der Sammelbatterie 12 eingestellt
ist. Das heißt, selbst in einem Falle, in welchem eingeschätzt
wird, daß die aus der Brennstoffzelle 10 abzuführende
Feuchtigkeitsmenge aufgrund der durch das Absinken der Temperatur
der Sammelbatterie 12 verursachten Verschlechterung der
Leistungsversorgungsfähigkeit geringer wird, kann der Feuchtigkeitsgehalt
der Brennstoffzelle 10, wenn sie in Aktion ist, so eingestellt
werden, daß er niedriger ist als ein vorgegebener Zielfeuchtigkeitsgehalt, wenn
die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle 10 vorab auf
ein niedrigeres Niveau eingestellt ist. Deshalb kann die Brennstoffzelle 10 effizient
aus einem Zustand des Betriebsstopps der Brennstoffzelle gestartet
werden, selbst in Fällen, in welchen die Aktion der Brennstoffzelle
bei niedriger Umgebungstemperatur gestoppt ist.
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Überdies
schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
oben beschriebenen Ausführungsform die die Sammelbatterie 12 beheizende
Heizung ein, und deshalb ist es möglich, bei niedriger
Umgebungstemperatur die Sammelbatterie 12 schnell aufzuheizen.
Als Ergebnis kann die Leistungsversorgungsfähigkeit der
Sammelbatterie 12 schnell wieder hergestellt werden.
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Überdies
schließt das Brennstoffzellenfahrzeug S (das bewegliche
Objekt) gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform
das Brennstoffzellensystem 1 ein, das befähigt
ist, die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle in Übereinstimmung
mit der Temperatur der Sammelbatterie 12 einzustellen.
Deshalb besitzt das Fahrzeug bei niedrigen Umgebungstemperaturen
ausgezeichnete Starteigenschaften.
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Es
ist anzumerken, daß bei der obigen Ausführungsform
ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die Sammelbatterie 12 als
Leistungsspeicher eingesetzt wird, es kann jedoch auch ein Kondensator
als Leistungsspeicher benutzt werden. Bei der obigen Ausführungsform
wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Betriebszustand der
Brennstoffzelle 10 entsprechend der „Temperatur"
der Sammelbatterie 12 eingestellt worden ist, es kann aber
der Betriebszustand der Brennstoffzelle 10 auch gemäß einer
anderen physikalischen Größe (beispielsweise einem
Ladungszustand „SOC"(state of charge)) eingestellt werden,
die den Zustand der Sammelbatterie 12 anzeigt.
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Des
weiteren wurde bei der obigen Ausführungsform ein Beispiel
beschrieben, bei dem der Zirkulationskanal 32 als mit einer
Wasserstoffpumpe 38 versehen ist. Es kann jedoch bei der
obigen Ausführungsform anstelle der Wasserstoffpumpe 38 auch eine
Strahlpumpe benutzt werden. Bei der obigen Ausführungsform
ist ein Beispiel vorgesehen, bei dem der Zirkulationskanal 32 mit
einem Entwässerungsablaßventil 36 versehen
ist, um sowohl eine Ablaßfunktion als auch eine Entwässerungsaktion
zu realisieren, es kann jedoch auch getrennt ein Entwässerungventil
zum Ableiten der durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 35 zurückgewonnenen
Feuchtigkeit zur Außenseite und ein Ablaßventil
zum ableiten des Gases aus dem Zirkulationskanal 32 vorgesehen
sein, so daß die Steuervorrichtung das Entwässerungsventil
und das Ablaßventil getrennt steuert.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie
oben durch eine Ausführungsform beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Brennstoffzellenfahrzeug
und auch bei verschiedenen anderen beweglichen Objekten (einem Roboter,
einem Boot, einem Flugzeug etc.) als einem Brennstoffzellenfahrzeug
eingebaut werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
der vorliegenden Erfindung kann bei einem Leistungserzeugungssystem
angewandt werden, das zum Gebrauch als Einrichtung zur Leistungserzeugung
an einem Bauwerk (Wohnung, Gebäude, etc.) befestigt werden
soll.
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND
BEWEGLICHES OBJEKT
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem (1) offenbart, mit einer
Brennstoffzelle (10) zur Erzeugung elektrischer Leistung
durch Reaktion eines Brenngases mit einem Oxidationsgas, und mit
einem Leistungsspeicher (12), sowie derart gestaltet, daß es eine
Spülaktion durchführt, wenn die Aktion der Brennstoffzelle
gestoppt wird, um Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle (10)
abzuführen durch Einleitung eines Gases in die Brennstoffzelle
(10) unter Nutzung der vom Leistungsspeicher (12)
zugeführten Energie. Das Brennstoffzellensystem umfaßt
ferner ein Steuermittel (4) zur derartigen Einstellung
einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle (10), daß der
Feuchtigkeitsgehalt der Brennstoffzelle (10), wenn sie
in Betrieb ist, geringer ist als ein Zielfeuchtigkeitsgehalt, der
in Übereinstimmung mit einem Zustand des Leistungsspeichers
(12) eingestellt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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