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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Im
Allgemein weist eine Brennstoffzelle bei einer niedrigen Temperatur
schlechtere Starteigenschaften auf als eine andere Leistungsquelle.
Ein Leistungserzeugungs-Wirkungsgrad einer solchen Brennstoffzelle
ist umso schlechter, je niedriger die Temperatur ist. Wenn die Temperatur
niedrig ist, kann nicht wie gewünscht Spannung/Strom geliefert
werden, und eine Vorrichtung kann manchmal nicht gestartet werden.
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Angesichts
dieser Situation wird eine Technik offenbart, bei der ein Kurzschluss
zwischen einem Eingangspol und einem Ausgangspol (zwischen Eingangs-/Ausgangspolen)
der Brennstoffzelle, die mit einem Systemverbraucher verbunden ist,
eingerichtet wird, und während des Startens bei einer niedrigen
Temperatur wird die Brennstoffzelle mittels eines Relais oder dergleichen
mit dem Kurzschluss verbunden, um einen Kurzschlussstrom an einen Brennstoffzellen-Hauptkörper
zu liefern, wodurch Wärme von der Brennstoffzelle selbst
erzeugt wird, um die Brennstoffzelle aufzuwärmen (siehe
z. B. Patentdokument 1).
- [Patentdokument 1] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr.
2005-93143
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Offenbarung der Erfindung
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In
einem Fall, wo ein Gas (ein Oxidierungsgas und ein Brenngas, im
Folgenden mit dem Überbegriff „reaktives Gas"
bezeichnet), das zur Leistungserzeugung beiträgt, auch
während des Startens bei einer niedrigen Temperatur in
einer Brennstoffzelle verblieben ist, wird jedoch zu der Zeit, wenn
die Brennstoffzelle mit einem Kurzschluss verbunden wird, ein Stoßstrom
erzeugt, der durch einen Brennstoffzellen-Hauptkörper fließt,
wodurch es zu Problemen, wie einer Zerstörung der Brennstoffzelle
und dergleichen, kommen kann.
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Angesichts
der geschilderten Situation wurde die vorliegende Erfindung entwickelt,
und ihre Aufgabe ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems,
das in der Lage ist, eine Brennstoffzelle aufzuwärmen und
dabei die Erzeugung eines Stoßstroms zu verhindern.
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Um
die genannte Aufgabe zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass es aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Verbraucher, der mit
der Brennstoffzelle verbunden ist; einen Kurzschluss, der zwischen
einem Eingangspol und einem Ausgangspol von der Brennstoffzelle
zum Verbraucher vorgesehen ist; und ein Steuermittel, um ein reaktives
Gas, das in der Brennstoffzelle verblieben ist, zu verringern und
dann die Brennstoffzelle mit dem Kurzschluss zu verbinden.
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Gemäß einem
solchen Aufbau wird das reaktive Gas, das in der Brennstoffzelle
verblieben ist, verringert, und dann wird die Brennstoffzelle mit
dem Kurzschluss verbunden, so dass es möglich ist, ein Problem,
das in einem Fall entsteht, wo die Brennstoffzelle, in der reaktives
Gas verblieben ist, angeschlossen wird, d. h. ein Problem, dass
ein Stoßstrom erzeugt wird, der die Brennstoffzelle zerstört, unterdrückt
werden kann.
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Hierbei
ist in dem genannten Aufbau eine Anordnung bevorzugt, bei der das
Steuermittel zulässt, dass die Brennstoffzelle Leistung
erzeugt und das reaktive Gas, das in der Brennstoffzelle verblieben
ist, verbraucht, wodurch das reaktive Gas verringert wird. Außerdem
ist ein Aufbau bevorzugt, der ferner einen Sensor aufweist, um eine
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erfassen, wobei das Steuermittel
die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle auf der Basis eines Erfassungsergebnisses
des Sensors unterbricht und dann die Brennstoffzelle mit dem Kurzschluss
verbindet. Ferner ist eine Anordnung bevorzugt, bei der das reaktive
Gas ein Brenngas, das zu einer Anode einer Brennstoffzelle geliefert
werden soll, und ein Oxidierungsgas, das zu einer Kathode geliefert
werden soll, einschließt, und das Steuermittel zumindest
das Oxidierungsgas verringert.
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Außerdem
ist in dem genannten Aufbau eine Anordnung bevorzugt, die ferner
ein Mittel für die Zufuhr von inaktivem Gas aufweist, um
ein inaktives Gas zur Brennstoffzelle zu liefern, wobei das Steuermittel
das inaktive Gas zur Brennstoffzelle liefert, um das reaktive Gas,
das in der Brennstoffzelle verblieben ist, zu verringern. Außerdem
ist eine Anordnung bevorzugt, die ferner einen Sensor aufweist,
um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu erfassen, wobei
das Steuermittel die Zufuhr von inaktivem Gas auf der Basis eines
Erfassungsergebnisses des Sensors unterbricht und dann die Brennstoffzelle
mit dem Kurzschluss verbindet.
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Ferner
ist in dem genannten Aufbau eine Anordnung bevorzugt, bei der das
reaktive Gas ein Brenngas, das zu einer Anode einer Brennstoffzelle geliefert
werden soll, und ein Oxidierungsgas, das zu einer Kathode geliefert
werden soll, einschließt, und das Steuermittel das Brenngas
zur Anode liefert, um ein Crossleaking bzw. Übertreten
des Brenngases von der Anode zur Kathode zu bewirken, wodurch das
Oxidierungsgas verringert wird. Darüber hinaus ist eine
Anordnung bevorzugt, die ferner einen Sensor aufweist, um eine Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle zu erfassen, wobei das Steuermittel die Zufuhr
von Brenngas auf der Basis eines Erfassungsergebnisses des Sensors
unterbricht und dann die Brennstoffzelle mit dem Kurzschluss verbindet.
Ferner ist eine Anordnung bevorzugt, die ferner ein Anpassungsmittel
für die Verbindung der Brennstoffzelle mit dem Kurzschluss
und die anschließende Anpassung der Zufuhr des Oxidierungsgases
gemäß einem Soll-Kurzschlussstrom aufweist.
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Wie
oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich, die Brennstoffzelle aufzuwärmen
und dabei die Erzeugung eines Stoßstroms zu verhindern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Schema, das einen Aufbau eines Hauptabschnitts eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
ersten Ausführungsform zeigt;
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2A ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines herkömmlichen
Kurzschluss-Relais zeigt;
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2B ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines herkömmlichen
Kurzschluss-Relais zeigt;
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2C ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines herkömmlichen
Kurzschluss-Relais zeigt;
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3A ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines Kurzschluss-Relais
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3B ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines Kurzschluss-Relais
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3C ist
ein Schema, das ein Verfahren zum Anschließen eines Kurzschluss-Relais
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Ablaufschema, das eine Vorbehandlung gemäß einer
ersten Ausführungsform zeigt;
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5 ist
ein Schema, das einen Aufbau eines Hauptabschnitts des Brennstoffzellensystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform zeigt;
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6 ist
ein Ablaufschema, das eine Vorbehandlung gemäß einer
zweiten Ausführungsform zeigt; und
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7 ist
ein Ablaufschema, das eine Vorbehandlung gemäß einer
dritten Ausführungsform zeigt.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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A. Erste Ausführungsform
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1 ist
ein Schema, das den Aufbau eines Hauptabschnitts eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform
wird von einem Brennstoffzellensystem ausgegangen, das in einem Fahrzeug,
wie einem Brennstoffzellen/Hybrid-Fahrzeug (FCHV), einem Elektroauto
oder einem Hybridauto, eingebaut werden soll, aber das System kann nicht
nur auf das Fahrzeug angewendet werden, sondern auch auf jede Art
von mobilem Körper (z. B. ein Schiff, ein Flugzeug, einen
Roboter oder dergleichen) oder auf eine stationäre Leistungsquelle.
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Eine
Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung einer Leistung
aus einem zugeführten reaktiven Gas (einem Brenngas und
einem Oxidierungsgas), und es kann eine Brennstoffzelle beliebiger
Art, wie vom Feststoffpolymer-Typ, vom Phosphat-Typ oder vom Carbonatschmelz-Typ,
verwendet werden. Die Brennstoffzelle 40 weist eine Stapelstruktur
auf, bei der eine Vielzahl von Einheitszellen, die eine MEA und
dergleichen aufweisen, hintereinander laminiert sind, und die Brennstoffzelle 40 ist
mit einem Zellspannungsmonitor (einem Sensor) 50 versehen, um
jede Zellspannung zu erfassen.
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Ein
Brenngas, wie ein Wasserstoffgas, wird von einer Brenngas-Zufuhrquelle 10 zu
einem Brenngaspol (einer Anode) der Brennstoffzelle 40 geliefert, während
ein Oxidierungsgas, wie Luft, von einer Oxidierungsgas-Zufuhrquelle 70 zu
einem Sauerstoffpol (einer Kathode) geliefert wird.
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Die
Brenngas-Zufuhrquelle 10 besteht beispielsweise aus einem
Wasserstofftank, verschiedenen Ventilen und dergleichen, und ein
Ventilöffnungsgrad, eine EIN/AUS-Zeit und dergleichen werden
angepasst, um eine Menge an Brenngas, die der Brennstoffzelle 40 zugeführt
werden soll, zu regeln.
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Die
Oxidierungsgas-Zufuhrquelle 70 besteht beispielsweise aus
einem Luftkompressor, einem Elektromotor zum Antreiben des Luftkompressors, einem
Wechselrichter und dergleichen, und eine Drehzahl des Elektromotors
und dergleichen wird angepasst, um eine Menge an Oxidierungsgas,
die der Brennstoffzelle 40 zugeführt werden soll,
zu regeln.
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Ein
Systemverbraucher 60 schließt eine Zusatzeinrichtung
des Fahrzeugs und eine Brennstoffzellen- bzw. FC-Hilfseinrichtung
ein, die mit einer Leistung angetrieben werden, die von der Brennstoffzelle
oder irgendeiner Art von Sekundärzelle (z. B. einer Nickel/Wasserstoff-Batterie
oder dergleichen; nicht dargestellt) geliefert wird. Der Systemverbraucher 60 ist über
FC-Relais 61 zwischen einen Eingangspol 41 und
einen Ausgangspol 42 der Brennstoffzelle geschaltet. Die
FC-Relais 61 werden von einer Steuereinrichtung 90 gesteuert,
um zwischen einer Verbindung/einer Trennung der Brennstoffzelle und
des Systemverbrauchers 60 umzuschalten. Es sei darauf hinge wiesen,
dass die Fahrzeug-Zusatzeinrichtung jede Art von Leistungseinrichtung
(eine Beleuchtungseinrichtung, eine Klimaanlage, eine hydraulische
Pumpe oder dergleichen) ist, die bei der Nutzung des Fahrzeugs oder
dergleichen verwendet wird, und dass die FC-Hilfseinrichtung jede
Art von Leistungseinrichtung (eine Pumpe für die Zufuhr
des Brenngases oder des Oxidierungsgases oder dergleichen) zur Verwendung
beim Betrieb der Brennstoffzelle 40 ist.
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Ein
Kurzschluss 80 ist eine Schaltung, mit der ein Kurzschlussstrom
zur Brennstoffzelle 40 geliefert wird, und ist zwischen
dem Eingangspol 41 und dem Ausgangspol 42 (zwischen
dem Eingangspol und dem Ausgangspol) der Brennstoffzelle 40 vorgesehen.
Der Kurzschluss 80 besteht aus einer Reihenschaltung eines
Kurzschluss-Relais 81, einer Sicherung 82 und
eines Stromsensors 83. Das Kurzschluss-Relais 81 wird
von der Steuereinrichtung 90 gesteuert, um zwischen einer
Verbindung/einer Trennung der Brennstoffzelle 40 und des
Kurzschlusses 80 umzuschalten. Die Sicherung 82 sorgt
für eine Ausfallsicherung bei einem Versagen des Kurzschluss-Relais 81.
Wenn aufgrund der Erzeugung des Stoßstroms oder dergleichen
ein zu starker Strom (Kurzschlussstrom) durch den Kurzschluss 80 fließt,
schmilzt die Sicherung selbst, um den Strom zu unterbrechen, wodurch
die Brennstoffzelle 40 geschützt wird. Der Stromsensor 83 erfasst
einen Strom, der durch den Kurzschluss 80 fließt,
und gibt ein Erfassungsergebnis an die Steuereinrichtung 90 aus.
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Die
Steuereinrichtung (das Steuermittel) 90 besteht aus einer
CPU, einem ROM, einem RAM und dergleichen und steuert zentral Einheiten
des Systems auf der Basis jedes eingehenden Sensorsignals. Außerdem
führt in einem Fall, wo beispielsweise ein Startbefehl
für das System eingegeben wird und eine Temperatur, die
mit einem Temperatursensor 55 gemessen wird, niedriger
ist als eine Bezugstemperatur, die Steuereinrichtung 90 eine
nachstehend beschriebene Vorbehandlung durch und schließt
dann das Kurzschluss-Relais 81 an, um den Kurzschlussstrom
zur Brennstoffzelle 40 zu liefern, wodurch eine Steuerung
durchgeführt wird, mit der die Temperatur in der Brennstoffzelle 40 erhöht
wird.
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2A bis 2C sind
Schemata, die ein Verfahren zum Anschließen eines herkömmlichen Kurzschluss-Relais
zeigen, und 3A bis 3C sind
Schemata, die ein Verfahren zum Anschließen eines Kurzschluss-Relais
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. 2A und 3A zeigen
eine Menge an verbliebenem Oxidierungsgas, 2B und 3B zeigen
eine Schaltungszeitsteuerung für die Verbindung/Trennung
des Kurzschluss-Relais, und 2C und 3C sind
Schemata, die einen Strom (einen FC-Strom) zeigen, der durch die
Brennstoffzelle 40 fließt.
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Wie
in 2A bis 2C dargestellt,
wird in einem Fall, wo in einer Situation, in der das Oxidierungsgas
in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben ist, das
Kurzschluss-Relais von Trennung auf Verbindung umgeschaltet wird,
während des Anschließens des Relais ein Stoßstrom
Cr erzeugt, und der Strom fließt durch die Brennstoffzelle 40 und
bewirkt deren Zerstörung und dergleichen.
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Um
das Problem zu lösen, werden in der vorliegenden Erfindung,
wie in 3A bis 3C dargestellt,
Hilfseinrichtungen angetrieben, bevor das Kurzschluss-Relais von
Trennung auf Verbindung umgeschaltet wird, wodurch das Oxidierungsgas, das
in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben ist, verbraucht
wird, um einen Oxidierungsgas-Mangelzustand zu bewirken (im Folgenden
als die Vorbehandlung bezeichnet). Somit wird der Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt, und dann wird das Kurzschluss-Relais angeschlossen, um
den Kurzschlussstrom durch die Brennstoffzelle 40 zu liefern,
wodurch die Brennstoffzelle aufgewärmt werden und gleichzeitig
die Erzeugung eines Stoßstroms verhindert werden kann.
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Die
Vorbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung
wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung
beschrieben.
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4 ist
ein Ablaufschema, das die Vorbehandlung zeigt.
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Beim
Empfang eines Startbefehls für das Systems von einem (nicht
dargestellten) Betätigungsschalter entscheidet die Steuereinrichtung 90, ob
eine Temperatur der Brennstoffzelle 40 (im Folgenden als
FC-Temperatur bezeichnet), die mit dem Temperatursensor 55 gemessen
wird, unter einer eingestellten Bezugstemperatur liegt oder nicht (Schritt
S1 → Schritt S2). Wenn die FC-Temperatur die Bezugstemperatur übersteigt
(Schritt S2; NEIN), beendet die Steuereinrichtung 90 den
Prozess, ohne Schritte auszuführen. Wenn dagegen die FC-Temperatur
unter der Bezugstemperatur liegt (Schritt S2; JA), lässt
die Steuereinrichtung 90 zu, dass die Brennstoffzelle 40 Leistung
erzeugt, und startet das Antreiben der Zusatzeinrichtungen, um das
Oxidierungsgas, das in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben
ist, zu verbrauchen (zu verringern). Genauer wird die Zufuhr des
Oxidierungsgases zur Kathode der Brennstoffzelle 40 unterbrochen,
während eine ausreichende Menge an Brenngas zur Anode der
Brennstoffzelle 40 geliefert wird, wodurch die Brennstoffzelle 40 Leistung
erzeugt, und das Antreiben der Zusatzeinrichtungen wird gestartet.
Selbstverständlich kann die erzeugte Leistung, statt Zusatzeinrichtungen
anzutreiben, in einer Sekundärzelle, wie einer Batterie
oder einem Kondensator (beide nicht dargestellt), gespeichert werden.
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Die
Steuereinrichtung 90 geht zu Schritt S4 weiter, um zu entscheiden,
ob der Oxidierungsgas-Mangelzustand bewirkt wurde oder nicht. Genauer
wird erfasst, ob jede Zellspannung, die vom Zellspannungsmonitor
(dem Sensor) 50 erfasst wird, auf einen vorgegebenen Wert
(z. B. um 0 V) gesunken ist oder nicht. In dem Fall, dass jede Zellspannung
auf den vorgegebenen Wert gesunken ist, wird entschieden, dass der
Oxidierungsgas-Mangelzustand bewirkt wurde. Wenn dagegen nicht jede
Zellspannung auf den vorgegebenen Wert gesunken ist, wird entschieden,
dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand nicht bewirkt wurde.
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In
einem Fall, wo entschieden wird, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand
nicht bewirkt wurde (Schritt S4; NEIN), kehrt die Steuereinrichtung 90 zu Schritt
S3 zurück, um mit dem Antreiben der Zusatzeinrichtungen
fortzufahren. In einem Fall, wo entschieden wird, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt wurde (Schritt S4; JA), unterbricht dagegen die Steuereinrichtung 90 das
Antreiben der Zusatzeinrichtungen und schaltet die FC-Relais 61 von
EIN auf AUS um, wodurch die Brennstoffzelle 40 elektrisch
vom Systemverbraucher 60 getrennt wird (Schritt S5 → Schritt
S6). Ferner schaltet die Steuereinrichtung 90 das Kurzschluss-Relais 81 von
AUS auf EIN, um die Brennstoffzelle 40 elektrisch mit dem Kurzschluss 80 zu
verbinden (Schritt S7), und bereitet die Lieferung des Kurzschlussstroms
vor, wodurch der Prozess beendet wird.
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Wenn
eine solche Vorbehandlung durchgeführt wird, liefert die
Steuereinrichtung 90 das Brenngas und das Oxidierungsgas
und lässt zu, dass die Brennstoffzelle 40 mit
der Leistungserzeugung beginnt. Als Folge davon fließt
der Kurzschlussstrom durch die Brennstoffzelle 40, die
aus sich selbst Wärme erzeugt, und die Brennstoffzelle 40 wird
aufgewärmt. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Stromwert
des Kurzschlussstroms, eine Zeit für die Zufuhr des Kurzschlussstroms
und dergleichen gemäß einer Aufwärmtemperatur
der Brennstoffzelle 40 geeignet eingestellt werden können.
Darüber hinaus kann der Stromwert des Kurzschlussstroms
so gesteuert werden, dass der vom Stromsensor 83 erfasste
Stromwert ein vorgegebener Wert ist (ein Soll-Stromwert oder dergleichen;
im Folgenden als Soll-Kurzschlussstromwert bezeichnet). Genauer
ermittelt die Steuereinrichtung (das Anpassungsmittel) 90 eine erforderliche
Menge des Oxidierungsgases aus dem Stromwert, der vom Stromsensor 83 erfasst
wird, und dem Soll-Kurzschlussstromwert und kann das Antreiben eines
Luftkompressors oder dergleichen so steuern, dass der Brennstoffzelle 40 die
ermittelte Menge an Oxidierungsgas zugeführt wird.
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Ferner
ist der Kurzschluss 80 mit der Sicherung 82 ausgestattet,
so dass selbst dann, wenn es im Stromsensor 83 oder dergleichen
zu einer Regelabweichung kommt und ein zu starker Strom durch den
Kurzschluss 80 fließt, verhindert werden kann, dass
der Strom durch die Brennstoffzelle 40 fließt.
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Wie
oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden
Ausführungsform das Oxidationsgas, das in der Kathode der
Brennstoffzelle 40 zurückgeblieben ist, verbraucht,
um den Oxidierungsgas-Mangelzustand zu bewirken, und dann wird das
Kurzschluss-Relais angeschlossen, um den Kurzschlussstrom zur Brennstoffzelle
zu liefern, wodurch die Brennstoffzelle aufgewärmt werden
und gleichzeitig die Erzeugung eines Stoßstroms verhindert
werden kann.
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Im
obigen Beispiel wurde ein Fall beschrieben, wo der Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt und dann der Kurzschlussstrom zur Brennstoffzelle geliefert
wird, aber statt dessen (oder zusätzlich dazu) wird der
Oxidierungsgas-Mangelzustand gebildet und dann kann der Kurschlussstrom
zur Brennstoffzelle geliefert werden. Jedoch wird, wenn die Brennstoffzelle 40 die
Leistung in einem Brenngas-Mangelzustand erzeugt, die MEA und dergleichen
der Brennstoffzelle 40 beschädigt werden. Andererseits ist
experimentell bestätigt, dass, wenn die Brennstoffzelle 40 die
Leistung im Oxidierungsgas-Mangelzustand erzeugt, die MEA und dergleichen
nicht beschädigt werden. Daher ist es bevorzugt, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt und dann der Kurzschlussstrom zur Brennstoffzelle geliefert wird.
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B. Zweite Ausführungsform
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In
der obigen ersten Ausführungsform wurde ein Fall beschrieben,
wo das Oxidierungsgas, das in der Kathode verblieben ist, verbraucht
wird, um den Oxidierungsgas-Mangelzustand zu bewirken. In einer
zweiten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, wo ein
inaktives Gas zugeführt wird und ein Oxidierungsgas, das
in einer Kathode verblieben ist, ausgetrieben wird, um einen Oxidierungsgas-Mangelzustand
zu bewirken.
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5 ist
ein Schema, das einen Aufbau eines Brennstoffzellen-Betriebssystems 100' gemäß der
zweiten Ausführungsform zeigt.
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In
dem Brennstoffzellen-Betriebssystem 100' ist das in 1 dargestellte
Brennstoffzellen-Betriebssystem 100 mit einer Quelle 110 für
die Zufuhr von inaktivem Gas und einem Dreiwegeventil 120 ausgestattet.
Daher wird ein Teil, der 1 entspricht, mit den gleichen
Bezugszahlen bezeichnet, und auf seine ausführliche Beschreibung
wird verzichtet.
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Die
Quelle 110 für die Zufuhr von inaktivem Gas (das
Mittel für die Zufuhr von inaktivem Gas) 110 ist
ein Mittel für die Zufuhr eines inaktiven Gases, wie eines
N2- Gases, und besteht aus einem Hochdrucktank,
der mit dem inaktiven Gas gefüllt ist, einer Pumpe und
dergleichen.
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Das
Dreiwegeventil 120 ist in einem Oxidierungsgas-Zufuhrweg
vorgesehen und wird von einer Steuereinrichtung 90 gesteuert,
um ein Gas, das einer Brennstoffzelle 40 zugeführt
werden soll, zu wechseln. Genauer wird das Dreiwegeventil 120 so gesteuert,
dass zwischen der Zufuhr des Oxidationsgases oder des inaktiven
Gases zur Anodenseite der Brennstoffzelle 40 umgeschaltet
wird.
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6 ist
ein Ablaufschema, das die Vorbehandlung gemäß der
zweiten Ausführungsform zeigt. Es sei darauf hingewiesen,
dass in einem in 6 dargestellten Ablauf anstelle
der Schritte S3, S5, die in 4 dargestellt
sind, Schritte S13, S15 vorgesehen sind. Daher werden die anderen
Schritte mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf ihre
ausführliche Beschreibung wird verzichtet.
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In
dem Fall, dass die Steuereinrichtung 90 entscheidet, dass
eine FC-Temperatur unter einer Bezugstemperatur liegt (Schritt S2;
JA), wird das Dreiwegeventil 120 so geschaltet, dass die
Zufuhr des inaktiven Gases zur Kathode der Brennstoffzelle 40 beginnt,
um das Oxidierungsgas, das in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben
ist, auszutreiben (zu verringern) (Schritt S13).
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Wenn
die Steuereinrichtung 90 zu Schritt S4 weitergeht, wird
entschieden, ob durch Austreiben des Oxidierungsgases, das in der
Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben ist, mit dem
zugeführten inaktiven Gas ein Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt wurde oder nicht. Genauer wird entschieden, ob jede von
einem Zellspannungsmonitor 50 erfasste Zellspannung auf
einen vorgegebenen Wert (z. B. etwa 0 V) gesunken ist oder nicht.
Wenn jede Zellspannung auf den vorgegebenen Wert gesunken ist, wird
entschieden, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand bewirkt wurde.
Wenn dagegen nicht jede Zellspannung angemessen gesunken ist, wird
entschieden, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand nicht bewirkt
wurde.
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In
einem Fall, wo die Steuereinrichtung 90 entscheidet, dass
der Oxidierungsgas-Mangelzustand nicht bewirkt wurde (Schritt S4;
NEIN), kehrt die Einrichtung zu Schritt S13 zurück, um
die Zufuhr des inaktiven Gases fortzusetzen. In einem Fall, wo entschieden
wird, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand bewirkt wurde (Schritt
S4; JA), unterbricht jedoch die Steuereinrichtung 90 die
Zufuhr des inaktiven Gases und schaltet FC-Relais 61 von
EIN auf AUS, um die Brennstoffzelle 40 elektrisch von einem Systemverbraucher 60 zu
trennen (Schritt S15 → Schritt S6). Es sei darauf hingewiesen,
dass der anschließende Betrieb dem der ersten Ausführungsform ähnelt,
und somit wird auf seine nähere Beschreibung verzichtet.
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Somit
kann das inaktive Gas der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt
werden, um das Oxidierungsgas zu verringern und den Oxidationsgas-Mangelzustand
zu bewirken.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in dem obigen Beispiel das inaktive
Gas der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird, um
den Oxidierungsgas-Mangelzustand zu bewirken, aber statt dessen (oder
zusätzlich dazu) kann das inaktive Gas der Anode der Brennstoffzelle
zugeführt werden, um einen Brenngas-Mangelzustand zu bewirken.
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In
einem Fall, wo das Brenngas, das in der Anode verblieben ist, verringert
wird, ohne irgendwelche Leistung von der Brennstoffzelle zu erzeugen, kommt
es nicht zu einem Problem, dass eine MEA und dergleichen der Brennstoffzelle
beschädigt werden (siehe die erste Ausführungsform),
und somit kann das inaktive Gas entweder der Anode oder der Kathode
zugeführt werden.
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C. Dritte Ausführungsform
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In
der ersten Ausführungsform wird das Oxidierungsgas, das
in der Kathode verblieben ist, verbraucht, um den Oxidierungsgas-Mangelzustand
zu bewirken, aber in einer dritten Ausführungsform wird der
Oxidierungsgas-Mangelzustand durch Übertreten eines Brenngases
von einer Anode zur Kathode bewirkt.
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7 ist
ein Ablaufschema, das eine Vorbehandlung gemäß der
dritten Ausführungsform zeigt. Es sei darauf hingewiesen,
dass in einem in 7 dargestellten Ablauf anstelle
der Schritte S3, S5, die in 4 dargestellt
sind, Schritte S23, S25 vorgesehen sind. Daher werden die anderen
Schritte mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, und auf ihre
ausführliche Beschreibung wird verzichtet.
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In
einem Fall, wo eine Steuereinrichtung 90 entscheidet, dass
eine FC-Temperatur unter einer Bezugstemperatur liegt (Schritt S2;
JA), wird die Zufuhr des Oxidierungsgases zur Kathode unterbrochen,
während eine ausreichende Menge des Brenngases zur Anode
der Brennstoffzelle 40 geliefert wird. Bekanntlich ist
ein molekularer Durchmesser des Brenngases (z. B. eines Wasserstoffgases),
das der Anode zugeführt werden soll, kleiner als der des
Oxidierungsgases, das der Kathode zugeführt werden soll,
so dass der Übertritt des Brenngases von der Anode zur
Kathode gestartet wird (Schritt S23).
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Wenn
die Steuereinrichtung 90 zu Schritt S4 weitergeht, wird
entschieden, ob ein Oxidierungsgas-Mangelzustand durch Austreiben
des Oxidierungsgases, das in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben
ist, mit dem Brennngas, das aus dem Übertritt stammt, bewirkt
wurde oder nicht. Genauer wird entschieden, ob jede der Zellspannungen,
die von einem Zellspannungsmonitor 50 erfasst werden, auf
einen vorgegebenen Wert (z. B. um 0 V) gesunken ist oder nicht.
Wenn jede der Zellspannungen auf den vorgegebenen Wert gesunken
ist, wird entschieden, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand bewirkt
wurde. Wenn dagegen nicht jede der Zellspannungen angemessen gesunken
ist, wird entschieden, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand nicht
bewirkt wurde.
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In
einem Fall, wo die Steuereinrichtung 90 entscheidet, dass
der Oxidierungsgas-Mangelzustand nicht bewirkt wurde (Schritt S4;
NEIN), kehrt die Einrichtung zu Schritt S23 zurück, um
das Übertretenlassen des Brenngases fortzusetzen (z. B.
für 30 Sekunden). Dagegen unterbricht die Steuereinrichtung 90 in
einem Fall, wo entschieden wird, dass der Oxidierungsgas-Mangelzustand
bewirkt wurde (Schritt S4; JA), die Zufuhr des Brenngases zur Anode
und schaltet FC-Relais 61 von EIN auf AUS, um die Brennstoffzelle 40 elektrisch
vom Systemverbraucher 60 zu trennen (Schritt S25 → Schritt
S6). Es sei darauf hingewiesen, dass der anschließende
Betrieb dem der ersten Ausführungsform ähnlich
ist, und somit wird auf dessen nähere Beschreibung verzichtet.
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Somit
kann das Übertreten des Brenngases von der Anode zur Kathode
bewirkt werden, um das Oxidierungsgas, das in der Kathode verblieben
ist, mit dem Brenngas, das aus dem Übertritt stammt, auszutreiben,
wodurch das Oxidierungsgas verringert wird, um den Oxidierungsgas-Mangelzustand
zu bewirken.
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D. Modifikation
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In
den obigen Ausführungsformen wurde von einem Aufwärmen
während eines Startens bei einer niedrigen Temperatur ausgegangen,
aber die vorliegende Erfindung ist auf jeden Fall anwendbar, bei dem
das Aufwärmen nötig ist, beispielsweise einen Fall,
wo ein schnelles Aufwärmen durchgeführt wird, bevor
ein Systembetrieb eingestellt wird.
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Außerdem
wurde in den obigen Ausführungsformen als Mittel zum Schalten
zwischen Verbindung/Trennung einer Brennstoffzelle 40 und
eines Kurzschlusses 80 ein Kurzschluss-Relais 81 dargestellt,
aber ein Halbleiterschalter, der aus IGBT, FET und dergleichen besteht,
kann verwendet werden. Es sei auch darauf hingewiesen, dass der
Kurzschluss 80 mit einem LCR-Verbraucher ausgestattet sein kann,
um einen Strom während eines Kurzschlusses zu begrenzen.
Der Kurzschluss 80 muss nicht mit einer Sicherung 82 oder
einem Stromsensor 83 ausgestattet sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das in der Lage ist,
eine Brennstoffzelle aufzuwärmen und dabei die Erzeugung
eines Stoßstroms zu verhindern. Eine Steuereinrichtung 90 schaltet zwischen
der Verbindung/Trennung einer Brennstoffzelle 40 und eines
Kurzschlusses 80 durch ein Kurzschluss-Relais 81 um.
Die Steuereinrichtung 90 sorgt vor dem Umschalten des Kurzschluss-Relais 81 von Trennung
auf Verbindung während des Startens bei einer niedrigen
Temperatur für den Verbrauch eines Oxidierungsgases, das
in der Kathode der Brennstoffzelle 40 verblieben ist, durch
Antreiben von Zusatzeinrichtungen, um einen Oxidierungsgas-Mangelzustand
zu bewirken. dann schaltet die Steuereinrichtung 90 FC-Relais 61 von
EIN auf AUS und das Kurzschluss-Relais 81 von AUS auf EIN,
um dadurch die Vorbereitung für die Zufuhr eines Kurzschlussstroms
abzuschließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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