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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei einem Brennstoffzellensystem und auf ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.
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HINTERGRUNDTECHNIK
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Als eine Brennstoffzelle ist ein System bekannt, bei dem Wasserstoff als ein Brennstoffgas auf einer Seite einer Anode zugeführt wird und Luft als ein oxidierendes Gas auf einer Seite der Kathode zugeführt wird, mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zwischen denselben, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung ein geschichteter Aufbau aus einer Festelektrolytmembran und einer Katalysatorschicht ist. Bei diesem Brennstoffzellenbetriebssystem wird durch eine Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs in der Luft in der Zelle, die die MEA aufweist, eine elektrische Leistung erzeugt, und Wasser wird als ein Reaktionsprodukt von der Seite der Kathode entladen. Um eine Menge an Luft, die der Seite der Kathode zugeführt wird, einzustellen, ist ein Einstellventil, das ein Gegendruckventil oder ein Druckeinstellventil genannt wird, bei einem Austritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle vorgesehen.
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Zusätzlich dazu kann, da die MEA ein geschichteter Aufbau aus Membranen ist, Wasserstoff teilweise von der Seite der Anode zu der Seite der Kathode lecken. Der geleckte Wasserstoff und der nicht reagierte Wasserstoff auf der Seite der Anode werden durch die Luft verdünnt und entladen. Zu diesem Zweck ist ein Umgehungs-Strömungsweg auf der Seite der Kathode vorgesehen, um die Luft, die das oxidierende Gas ist, auf das Gas für die Reaktion in der Zelle und das Gas für eine Verdünnung zu verteilen, und ein Umgehungsventil ist in dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen.
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Die
JP 2003-180006 A offenbart zum Beispiel ein Regenerationsbremssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das kein aufwendiges Batteriepack verwendet. In dieser Schrift ist ein Gegendruckventil zwischen einem Austritt der Brennstoffzelle auf der Seite der Kathode und einem Luftauslassende vorgesehen, und ein Umgehungsventil, das ein Dreiwegeventil für eine Umgehung zu dem Luftauslassende ist, ist zwischen einem Kompressor zum Zuführen komprimierter Luft und der Kathode vorgesehen.
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Wie beschrieben, wird bei einem Brennstoffzellenbetriebssystem, das Wasserstoff als ein Brennstoffgas verwendet, durch Operationen mehrerer Ventile gemeinsam mit der Zufuhr von Wasserstoffgas und der Zufuhr der Luft eine geeignete Extraktion der erzeugten Leistung, eine Entladung von Wasser, das das Reaktionsprodukt der Leistungserzeugung ist, und eine Verdünnung des entladenen Gases erreicht.
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Wie im Vorhergehenden beschrieben, ist Wasser, das das Reaktionsprodukt ist, in dem Gaszufuhrweg des Brennstoffzellensystems vorhanden. Aufgrund dessen können das Einstellventil und das Umgehungsventil, die in dem Gaszufuhrweg vorgesehen sind, aufgrund eines Einfrierens oder dergleichen des Wassers durch Absenken der Umgebungstemperatur in der gleichen Position festsitzen, was in einem Nichtbetriebszustand während einer Aktivierung resultiert.
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Wie beschrieben, werden das Einstellventil und das Umgehungsventil bei einem Brennstoffzellenbetriebssystem verwendet. Da eine primäre Funktion des Umgehungsventils darin besteht, Luft zum Verdünnen der Konzentration des Wasserstoffs, der in dem entladenen Gas enthalten ist, zuzuführen, ist das Umgehungsventil in vielen Fällen während eines normalen Betriebs vollständig geschlossen. Daher wird, wenn Wasser in der Nähe des Umgehungsventils vorhanden ist, das Wasser eingefroren, wenn die Außenlufttemperatur auf Temperaturen unter Null reduziert wird, und ein Aktivieren des Umgehungsventils wird schwierig.
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Das Dokument
WO 03 058 740 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Brennstoffgaszufuhrvorrichtung, die einer Seite einer Anode der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zuführt, einer Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas, die einer Seite einer Kathode der Brennstoffzelle ein oxidierendes Gas zuführt, einem eintrittsseitigen Strömungsweg, der die Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas und einen Gaseintritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle verbindet, einem austrittsseitigen Strömungsweg, einem Umgehungs-Strömungsweg, der parallel zu der Brennstoffzelle angeordnet ist, einem Einstellventil, das auf dem austrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der Kathode einstellt, einem Umgehungsventil, das auf dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit in dem Umgehungs-Strömungsweg einstellt.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellenbetriebssystem zu schaffen, das ein Einfrieren des Ventils verhindern kann, und ein Verfahren zum Verhindern eines Festsitzens des Ventils bei dem Brennstoffzellenbetriebssystem.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 gelöst.
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So wird ein Verfahren zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei einem Brennstoffzellensystem beansprucht, das eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffgaszufuhrvorrichtung, die einer Seite einer Anode der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zuführt, eine Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas, die einer Seite einer Kathode der Brennstoffzelle ein oxidierendes Gas zuführt, einen eintrittsseitigen Strömungsweg, der die Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas und einen Gaseintritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle verbindet, einen austrittsseitigen Strömungsweg, der zwischen einem Gasaustritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle und einer Abgabeseite eine Verbindung herstellt, einen Umgehungs-Strömungsweg, der den eintrittsseitigen Strömungsweg und den austrittsseitigen Strömungsweg verbindet und der parallel zu der Brennstoffzelle angeordnet ist, ein Einstellventil, das auf mindestens entweder dem eintrittsseitigen Strömungsweg oder dem austrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der Kathode einstellt, ein Umgehungsventil, das auf dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit in dem Umgehungs-Strömungsweg einstellt, eine Einheit zum Erfassen eines Partialdrucks von Wasserstoff in dem Brennstoffgaszufuhrströmungsweg auf der Seite der Anode, und eine Steuerung, die einen Betrieb der Brennstoffzelle steuert, aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Stoppen des Zuführens des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle;
Fortsetzen des Zuführens des oxidierenden Gases zur Brennstoffzelle;
Erfassen und Entscheiden, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird;
wobei die Entscheidung, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde, ausgeführt wird durch Erfassen eines Partialdrucks des Wasserstoffs im Brennstoffgaszufuhrströmungsweg auf der Seite der Anode und Entscheiden, ob der Partialdruck des Wasserstoffs kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist; und
nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde, Öffnen des Umgehungsventils;
wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist:
Abgeben des oxidierenden Gases durch den austrittsseitigen Strömungsweg und den Umgehungs-Strömungsweg, um dadurch Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, abzugeben.
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Ferner wird ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens beansprucht, mit:
einer Brennstoffzelle;
einer Brennstoffgaszufuhrvorrichtung, die einer Seite einer Anode der Brennstoffzelle ein Brennstoffgas zuführt;
einer Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas, die einer Seite einer Kathode der Brennstoffzelle ein oxidierendes Gas zuführt;
einem eintrittsseitigen Strömungsweg, der die Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas und einen Gaseintritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle verbindet;
einem austrittsseitigen Strömungsweg, der zwischen einem Gasaustritt auf der Seite der Kathode der Brennstoffzelle und einer Abgabeseite eine Verbindung herstellt;
einem Umgehungs-Strömungsweg, der den eintrittsseitigen Strömungsweg und den austrittsseitigen Strömungsweg verbindet und der parallel zu der Brennstoffzelle angeordnet ist;
einem Einstellventil, das auf mindestens entweder dem eintrittsseitigen Strömungsweg oder dem austrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit auf der Seite der Kathode einstellt;
einem Umgehungsventil, das auf dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen ist und das eine Gas-Strömungsgeschwindigkeit in dem Umgehungs-Strömungsweg einstellt;
einer Einheit zum Erfassen eines Partialdrucks von Wasserstoff in dem Brennstoffgaszufuhrströmungsweg auf der Seite der Anode; und
einer Steuerung, die einen Betrieb der Brennstoffzelle steuert, wobei
die Steuerung folgende Merkmale aufweist:
eine Einheit, die erfasst und entscheidet, dass eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird; und
eine Einheit, die, nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde, das Umgehungsventil öffnet;
wobei die Einheit, die das Umgehungsventil öffnet, das oxidierende Gas durch den austrittsseitigen Strömungsweg und den Umgehungs-Strömungsweg abgibt, um dadurch Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, abzugeben.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist bei dem Brennstoffzellenbetriebssystem die Steuerung ferner bevorzugt eine Niedrigtemperaturprozesseinheit auf, die entscheidet, ob eine Temperatur des Brennstoffzellenbetriebssystems eine vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung erfüllt oder nicht, und, wenn die Niedrigtemperaturprozesseinheit entscheidet, dass die vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung erfüllt ist, eine Ausführung des Erfassungs- und Entscheidungsprozesses zum Stoppen der Leistungserzeugung und des Wasserentladeprozesses bewirkt.
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Mit dem im Vorhergehenden beschriebenen Aufbau ist bei dem Brennstoffzellenbetriebssystem auf der Seite der Kathode das Einstellventil auf mindestens entweder dem eintrittsseitigen Strömungsweg oder dem austrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen, und das Umgehungsventil ist parallel zu der Brennstoffzelle und den eintrittsseitigen Strömungsweg und den austrittsseitigen Strömungsweg verbindend vorgesehen. Ein Stoppen der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle wird erfasst und entschieden, und, nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde, wird das Umgehungsventil geöffnet und Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, wird entladen.
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Daher frieren, da das Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, entladen wird, wenn die Leitungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird, der austrittsseitige Strömungsweg und der Umgehungs-Strömungsweg nicht ein, selbst wenn die Außenlufttemperatur abgesenkt wird, und somit kann das Einfrieren der Ventile, die auf dem austrittsseitigen Strömungsweg und auf dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen sind, verhindert werden.
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Alternativ wird das Stoppen der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle erfasst und entschieden, und, nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde, wird das oxidierende Gas von der Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas für eine vorbestimmte Verlängerungszeit zugeführt, um dadurch Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, zu entladen.
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Daher frieren, da das Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, entladen wird, wenn die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird, der austrittsseitige Strömungsweg und der Umgehungs-Strömungsweg nicht ein, selbst wenn die Außenlufttemperatur abgesenkt wird, und somit kann das Einfrieren der Ventile, die auf dem austrittsseitigen Strömungsweg und auf dem Umgehungs-Strömungsweg vorgesehen sind, verhindert werden.
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Alternativ können diese Prozesse, da entschieden wird, ob die Temperatur des Brennstoffzellenbetriebssystems eine vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung erfüllt oder nicht, und der Erfassungs- und Entscheidungsprozess zum Stoppen der Leistungserzeugung und der Wasserentladeprozess ausgeführt werden, wenn entschieden wird, dass die Niedrigtemperaturbedingung erfüllt ist, lediglich in einem geeigneten Fall, bei dem eine Möglichkeit eines Einfrierens vorliegt, ausgeführt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellenbetriebssystems eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist ein Flussdiagramm, das Schritte zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESTE WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERINDUNG
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Diagramme im Detail beschrieben. 1 ist ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellenbetriebssystems 10. Das Brennstoffzellenbetriebssystem 10 weist einen Systemkörperabschnitt 20 und eine Steuerung 70 auf, die die Elemente, die einen Bestandteil des Systemkörperabschnitts 20 bilden, als ein Gesamtsystem steuert.
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Der Systemkörperabschnitt 20 weist einen Brennstoffzellenkörper, der als ein Brennstoffzellenstapel 22 bezeichnet wird und in dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gestapelt sind, einen Bestandteil bildende Elemente zum Zuführen von Wasserstoffgas, das ein Brennstoffzellengas ist, die auf der Seite einer Anode des Brennstoffzellenstapels 22 vorgesehen sind, und einen Bestandteil bildende Elemente zum Zuführen von Luft, die ein oxidierendes Gas ist, die auf einer Seite einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 vorgesehen sind, auf.
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Eine Brennstoffgaszufuhrquelle 24 auf der Seite der Anode ist ein Tank zum Zuführen von Wasserstoff als das Brennstoffgas. Die Brennstoffgaszufuhrquelle 24 ist mit einem Regulierer 26 verbunden. Der Regulierer 26 hat eine Funktion zum Einstellen eines Drucks und einer Strömungsrate des Wasserstoffgases von der Brennstoffgaszufuhrquelle 24 zu dem Brennstoffzellenstapel 22. Eine Druckanzeige 28, die bei einem Ausgangsaustritt des Regulierers 26 vorgesehen ist, ist eine Messvorrichtung, die einen Druck des zugeführten Wasserstoffs erfasst. Der Ausgangsaustritt des Regulierers 26 ist mit einem Eintritt auf der Seite einer Anode des Brennstoffzellenstapels 22 verbunden, und ein Wasserstoffgas, das den Druck und die Strömungsrate hat, die auf geeignete Werte eingestellt sind, wird dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt.
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In dem Gas, das aus einem Austritt auf der Seite der Anode des Brennstoffzellenstapels 22 entladen wird, ist die Wasserstoffkonzentration niedrig, da der Wasserstoff bei der Leistungserzeugung verbraucht wird, und eine Konzentration eines Verunreinigungsgases ist hoch, da Stickstoffgas, das ein Bestandteil der Luft auf der Seite der Kathode ist, von der Seite der Kathode durch die MEA dringt. Zusätzlich dringt Wasser, das das Reaktionsprodukt ist, ebenfalls durch die MEA.
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Ein Strömungsumlenker 32, der mit einem Austritt auf der Seite der Anode des Brennstoffzellenstapels 22 verbunden ist, ist zum Leiten des entladenen Gases durch ein Entladeventil 34 zu einem Verdünner 64 vorgesehen, wenn die Konzentration des Verunreinigungsgases in dem entladenen Gas aus dem Austritt auf der Seite der Anode hoch wird. Das entladene Gas ist in diesem Fall Wasserstoffgas, das Stickstoff und Wasser aufweist, welches das Reaktionsprodukt ist. Eine Zirkulierdruckanhebungsvorrichtung 30, die stromabwärts von dem Strömungsumlenker 32 und zwischen dem Strömungsumlenker 32 und dem Eintritt auf der Seite der Anode vorgesehen ist, ist eine Wasserstoffpumpe mit einer Funktion zum Erhöhen des Partialdrucks des Wasserstoffs in dem Gas, das von dem Austritt auf der Seite der Anode zurückgeführt wird, und zum Zurückführen des Gases zu dem Eintritt auf der Seite der Anode für eine erneute Verwendung.
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Als eine Zufuhrquelle 40 für ein oxidierendes Gas auf der Seite der Kathode kann in der Realität atmosphärische Luft verwendet werden. Die atmosphärische Luft (Luft), die als die Zufuhrquelle 40 für ein oxidierendes Gas dient, wird durch ein Filter 42 und dann der Seite der Kathode zugeführt. Ein Strömungsmesser 44, der stromabwärts von dem Filter 42 vorgesehen ist, ist ein Strömungsmesser, der eine Strömungsrate der gesamten Zufuhr von der Zufuhrquelle 40 für ein oxidierendes Gas erfasst. Ein Thermometer 46, das stromabwärts von dem Filter 42 vorgesehen ist, hat eine Funktion zum Erfassen einer Temperatur des Gases von der Zufuhrquelle 40 für ein oxidierendes Gas.
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Ein Luftkompressor (englisch: air compressor; ACP) 48 ist eine Gasdruckanhebungsvorrichtung, die ein Volumen der Luft, die als das oxidierende Gas dient, mittels eines Motors 50 komprimiert, um dadurch den Druck der Luft zu erhöhen. Der ACP (48) hat ebenfalls eine Funktion zum Variiren einer Drehungsgeschwindigkeit (Zahl von Drehungen pro Minute) unter der Steuerung der Steuerung 70, um dadurch eine vorbestimmte Menge eines oxidierenden Gases zu liefern. Mit anderen Worten wird, wenn die erforderliche Strömungsrate des oxidierenden Gases groß ist, die Drehungsgeschwindigkeit des Motors 50 erhöht, und wenn die erforderliche Strömungsrate des oxidierenden Gases klein ist, wird die Drehungsgeschwindigkeit des Motors 50 reduziert. Eine ACP-Leistungsverbrauchserfassungseinheit 52 ist eine Messvorrichtung mit einer Funktion zum Erfassen eines Leistungsverbrauchs des ACP (48); insbesondere eines Leistungsverbrauchs des Motors 50. Wenn die Drehungsgeschwindigkeit des Motors 50 erhöht wird, wird der Leistungsverbrauch des Motors 50 erhöht, und wenn die Drehungsgeschwindigkeit des Motors 50 reduziert wird, wird der Leistungsverbrauch des Motors 50 reduziert. Daher steht der Leistungsverbrauch in einer engen Beziehung zu der Drehungsgeschwindigkeit des Motors oder der Strömungsrate des oxidierenden Gases.
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Auf diese Art und Weise wird unter der Steuerung der Steuerung 70 durch den ACP (48) der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 Luft als das oxidierende Gas zugeführt. Mit anderen Worten sind bei diesem Aufbau das oxidierende Gas, atmosphärische Luft und Luft äquivalent. Daher können die einen Bestandteil bildenden Elemente von der Zufuhrquelle 40 für ein oxidierendes Gas zu dem ACP (48) als eine Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas bezeichnet werden.
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Ein Befeuchter 54 hat eine Funktion zum geeigneten Befeuchten eines oxidierenden Gases, um dadurch eine effiziente Brennstoffzellenreaktion in dem Brennstoffzellenstapel 22 zu erreichen. Das oxidierende Gas, das durch den Befeuchter 54 geeignet befeuchtet ist, wird dem Eintritt auf der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt und aus dem Austritt auf der Seite der Kathode entladen. Während dieses Prozesses wird Wasser, das das Reaktionsprodukt ist, ebenfalls zusammen mit dem entladenen Gas entladen. Da die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 22 durch die Reaktion hoch wird, liegt das entladene Wasser in der Form von Wasserdampf vor, der dem Befeuchter 54 zum geeigneten Befeuchten des oxidierenden Gases zugeführt wird. Wie beschrieben, hat der Befeuchter 54 eine Funktion zum geeigneten Hinzufügen einer Feuchtigkeit des Wasserdampfs zu dem oxidierenden Gas, und ein Gasaustauscher, der eine Hohlfaser verwendet, kann verwendet sein. Das heißt, der Befeuchter 54 hat einen Aufbau zum Austauschen eines Gases zwischen einem Strömungsweg, durch den das Gas von dem ACP (48) fließt, und dem Strömungsweg, durch den der Wasserdampf fließt. Zum Beispiel kann der innere Strömungsweg der Hohlfaser als der Strömungsweg des oxidierenden Gases von dem ACP (48) eingerichtet sein, und der äußere Strömungsweg der Hohlfaser kann als der Strömungsweg des Wasserdampfs von dem Austritt auf der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 eingerichtet sein, so dass das oxidierende Gas, das zu dem Eintritt auf der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 fließt, geeignet befeuchtet werden kann.
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Ein Strömungsweg, der die Zufuhrvorrichtung für ein oxidierendes Gas und den Eintritt auf der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 verbindet, kann als ein eintrittsseitiger Strömungsweg bezeichnet werden. Auf ähnliche Weise kann der Strömungsweg, der von dem Austritt auf der Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels 22 mit der Seite der Entladung in Verbindung steht, als ein austrittsseitiger Strömungsweg bezeichnet werden.
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Eine Druckanzeige 56, die an einem Austritt auf einer Seite der Kathode des austrittsseitigen Strömungswegs vorgesehen ist, hat eine Funktion zum Erfassen eines Gasdrucks bei dem Austritt auf der Seite der Kathode. Ein Einstellventil 60, das auf dem austrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen ist, wird ebenfalls als ein Gegendruckventil bezeichnet und hat eine Funktion zum Einstellen eines Gasdrucks bei dem Austritt auf der Seite der Kathode und zum Einstellen der Strömungsrate des oxidierenden Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 22. Als das Einstellventil 60 wird vorzugsweise ein Ventil, das einen effektiven Öffnungsgrad des Strömungswegs einstellen kann, wie zum Beispiel ein Drosselklappenventil, verwendet. Das Einstellventil 60 kann in einigen Fällen auf dem eintrittsseitigen Strömungsweg vorgesehen sein.
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Ein Ausgangsaustritt des Einstellventils 60 ist mit dem Befeuchter 54 verbunden. Daher wird das Gas, das aus dem Einstellventil 60 austritt, nachdem das Gas dem Befeuchter 54 Wasserdampf zugeführt hat, erneut zurückgeführt, tritt in den Verdünner 64 ein und wird zu dem Äußeren entladen.
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Ein Umgehungsventil 62 ist ein Ventil, das auf einem Umgehungs-Strömungsweg, der den eintrittsseitigen Strömungsweg und den austrittsseitigen Strömungsweg verbindet und der parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 22 angeordnet ist, vorgesehen ist, und hat eine primäre Funktion zum Zuführen von Luft zum Verdünnen der Wasserstoffkonzentration in der Entladung zu dem Verdünner 64. Mit anderen Worten ist es durch Öffnen des Umgehungsventils 62 möglich, dem Verdünner 64 über den Umgehungs-Strömungsweg einen Teil des oxidierenden Gases von dem ACP (48) getrennt von dem Teil, der zu dem Brennstoffzellenstapel 22 fließt, zuzuführen, ohne dass derselbe durch den Brennstoffzellenstapel 22 fließt. Als das Umgehungsventil 62 kann ein Ventil mit einem Aufbau, der ähnlich zu dem des Entladeventils ist, das zum Verdünnen des entladenen Gases der Maschine verwendet wird, verwendet werden.
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Der Verdünner 64 ist ein Pufferbehälter, der entladenes Wasser, mit dem Wasserstoff vermischt ist, von dem Entladeventil 34 auf der Seite der Anode, und entladenes Gas, mit dem Wasserdampf vermischt ist und mit dem Wasserstoff, der durch die MEA leckt, vermischt ist, auf der Seite der Kathode sammelt; die Wasserstoffkonzentration auf einen geeigneten Wert einstellt; und die Mischung zu dem Äußeren entlädt. Wenn die Wasserstoffkonzentration eine geeignete Konzentration überschreitet, kann das Umgehungsventil 62 geöffnet werden, so dass das oxidierende Gas, das zugeführt wird, ohne durch den Brennstoffzellenstapel 22 zu fließen, für eine weitere geeignete Verdünnung verwendet wird.
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Die Steuerung 70 steuert die im Vorhergehenden beschriebenen Elemente, die einen Bestandteil des Systemkörperabschnitts 20 bilden, als ein Gesamtsystem, und dieselbe wird für gewöhnlich als eine Brennstoffzellen-CPU bezeichnet. Die Steuerung 70 weist insbesondere ein Leistungserzeugungsstopp-Erfassungs- und -Entscheidungsmodul 72, das erfasst und entscheidet, dass die Leitungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird, und ein Wasserentladeprozessmodul 74 auf, das Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, durch Zuführen eines oxidierenden Gases gezwungenermaßen entlädt, nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wurde. Ein Beispiel für die Entscheidung, dass die Leistungserzeugung gestoppt wird, ist ein Fall, bei dem während eines Stoppens des Betriebs der Brennstoffzelle das Wasserstoffgas, das bereits zugeführt wurde, durch die Brennstoffzellenreaktion verbraucht wird und die Leistungserzeugung gestoppt wird. Diese Funktionen können durch Software realisiert werden; insbesondere durch Ausführen eines entsprechenden Brennstoffzellenbetriebsprogramms oder eines Programms zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils, das in dem Brennstoffzellenbetriebsprogramm umfasst ist. Alternativ kann ein Teil dieser Funktionen durch Hardware realisiert werden.
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Ein Betrieb des Brennstoffzellenbetriebssystems 10, das den im Vorhergehenden beschriebenen Aufbau hat, insbesondere die Funktionen der Steuerung 70, wird nun unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm von 2 im Detail beschrieben. 2 zeigt Schritte zum Verhindern eines Einfrierens des Ventils bei den Operationen des Brennstoffzellenbetriebssystems 10. Jeder Schritt entspricht einem jeweiligen Verarbeitungsschritt des Programms zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils.
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Der Prozess zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils des Brennstoffzellenbetriebssystems 10 wird normalerweise automatisch zu der Zeit eines Stoppens des Betriebs des Brennstoffzellenbetriebssystems 10 ausgeführt, er kann jedoch alternativ je nach Notwendigkeit zu einem beliebigen Zeitpunkt, automatisch gemäß einer Erfassung eines Betriebszustands oder manuell durch eine Eingabe einer Anweisung durch einen Betreiber ausgeführt werden.
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Das Einfrieren eines Ventils tritt auf, wenn die Außenlufttemperatur eine vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung erfüllt; zum Beispiel, wenn die Außenlufttemperatur eine Temperatur unter Null ist. Daher wird der Prozess zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils vorzugsweise durch Schätzen und Entscheiden, ob die Außenlufttemperatur eine vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung erfüllt oder nicht, ausgeführt. Da die Temperatur des oxidierenden Gases durch das Thermometer 46 erfasst wird, ist es möglich, basierend auf der Änderung hinsichtlich der Zeit die Temperatur des oxidierenden Gases zu schätzen und zu entscheiden, ob die Außenlufttemperatur eine vorbestimmte Niedrigtemperaturbedingung, zum Beispiel eine Temperatur unter Null, erfüllt oder nicht. Wenn basierend auf der Entscheidung geschätzt wird, dass die Außenlufttemperatur eine Temperatur unter Null wird, wird der folgende Prozess zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils ausgeführt. Alternativ kann eine Konfiguration eingesetzt sein, bei der die Schritte des Prozesses zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils ausgeführt werden, wenn die Niedrigtemperaturbedingung von unter Null erfüllt ist; zum Beispiel, wenn die Außenlufttemperatur niedriger als eine voreingestellte Temperatur wird.
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Bei den Schritten des Prozesses zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils wird zuerst eine Zufuhr von Wasserstoff, der das Brennstoffgas ist, gestoppt (S10). Genauer gesagt gibt eine Funktion des Leistungserzeugungsstopp-Erfassungs- und -Entscheidungsmoduls 72 der Steuerung 70 dem Regulierer 26 eine Anweisung, die Wasserstoffzufuhr zu stoppen, der Regulierer 26 schließt als Antwort auf die Anweisung die Gaszufuhröffnung, und das System wird betrieben, um das Brennstoffgas von der Brennstoffgaszufuhrquelle 24 dem Brennstoffzellenstapel 22 nicht zuzuführen. Selbst wenn die Wasserstoffzufuhr gestoppt wird, wird der Betrieb des ACP (48) fortgesetzt, und das oxidierende Gas, das Luft ist, wird dem Brennstoffzellenstapel 22 weiterhin zugeführt. Daher wird die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 22 fortgesetzt, bis das Brennstoffgas, das bereits zugeführt wurde, durch die Brennstoffzellenreaktion verbraucht ist (S12).
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Es wird ständig entschieden, ob die Leistungserzeugung gestoppt wird oder nicht (S14). Die Entscheidung kann zum Beispiel durch Vorsehen einer Einheit zum Erfassen eines Partialdrucks von Wasserstoff in dem Wasserstoffzufuhr-Strömungsweg auf der Seite der Anode, der die Zirkulierdruckanhebungsvorrichtung 30 aufweist, und Entscheiden, ob der Partialdruck des Wasserstoffs kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, ausgeführt werden. Die Entscheidung, ob die Leistungserzeugung gestoppt wird oder nicht, wird fortgesetzt, bis entschieden wird, dass die Leistungserzeugung gestoppt wird. Alternativ ist es ebenfalls möglich, zu entscheiden, dass die Leistungserzeugung gestoppt wird, wenn eine vorbestimmte Zeit, die im Voraus definiert wird, ab der Zeit einer Anweisung zum Stoppen der Wasserstoffzufuhr verstrichen ist. Die vorbestimmte Zeit kann in diesem Fall basierend auf einem Volumen des Brennstoffzellenstapels 22 und dem Zufuhrzustand des oxidierenden Gases von dem ACP (48) definiert werden. Die Schritte bis S14 werden durch eine Funktion des im Vorhergehenden beschriebenen Leistungserzeugungsstopp-Erfassungs- und -Entscheidungsmoduls ausgeführt.
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Wenn entschieden wird, dass die Leistungserzeugung gestoppt wird, führt eine Funktion des Wasserentladeprozessmoduls 74 einen Prozess zum Öffnen des Umgehungsventils 62 aus (S16). Wenn das Umgehungsventil 62 geöffnet wird, wird eine große Menge von unter Druck gehaltener Luft dem Umgehungs-Strömungsweg zugeführt, und das Wasser, das in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, und das Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg vorhanden ist, wird gezwungenermaßen ausgestoßen und entladen (S18). Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, dass das Umgehungsventil 62 vollständig geöffnet ist. Alternativ ist es möglich, das Umgehungsventil 62 mit Unterbrechungen zu öffnen und zu schließen, um das Wasser effizient auszustoßen.
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Das Öffnen des Umgehungsventils 62 kann alternativ durch eine zeitliche Verwaltung gesteuert werden. In diesem Fall kann die Zeit, zu der das Umgehungsventil 62 zu öffnen ist, durch die Strömungsrate und den Druck oder dergleichen des oxidierenden Gases, das in dem Umgehungs-Strömungsweg fließt, definiert werden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, eine Konfiguration einzusetzen, bei der ein differenzieller Druck zwischen jedem Ende des Umgehungs-Strömungswegs und ein differenzieller Druck zwischen jedem Ende des austrittsseitigen Strömungswegs erfasst werden und das Umgehungsventil 62 geöffnet wird, bis der differenzielle Druck des Strömungswegs kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Wert wird. Genauer gesagt fließt, wenn Wasser in dem Strömungsweg zurückbleibt, die Luft, die das oxidierende Gas ist, nicht reibungslos, und der differenzielle Druck zwischen jedem Ende des Strömungswegs ist groß, und wenn das Wasser ausreichend entfernt ist, wird der differenzielle Druck zwischen jedem Ende des Strömungswegs ausreichend niedrig.
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Wenn sich das Umgehungsventil 62 bereits in dem geöffneten Zustand befindet, wenn entschieden wird, dass die Leistungserzeugung gestoppt wird, ist es wünschenswert, das Umgehungsventil 62 ein Mal zu schließen und dann das Umgehungsventil 62 erneut zu öffnen. Alternativ ist es, wie im Vorhergehenden beschrieben, ebenfalls möglich, das Umgehungsventil 62 zu steuern, um das Umgehungsventil 62 mit Unterbrechungen zu öffnen und zu schließen.
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Nachdem entschieden wurde, dass die Leistungserzeugung gestoppt wurde, wird das Wasser, das das Reaktionsprodukt ist, nicht erzeugt. Aufgrund dessen ist es möglich, die Zufuhr der Luft, die das oxidierende Gas ist, nach der Entscheidung, dass die Leistungserzeugung gestoppt wurde, nicht zu stoppen und fortzufahren, Luft, die das oxidierende Gas ist, für eine vorbestimmte Verlängerungszeit zuzuführen, um dadurch das Wasser, das in dem austrittsseitigen Strömungsweg und in dem Umgehungs-Strömungsweg vorhanden ist, gezwungenermaßen zu entladen. Das Einrichten der vorbestimmten Zeit kann in diesem Fall durch die Strömungsrate, den Druck oder dergleichen des oxidierenden Gases definiert werden. Alternativ kann, wenn eine Differenzialdruckerfassungseinheit zwischen jedem Ende des Strömungswegs vorgesehen ist, eine Zeitdauer, in der der differenzielle Druck zwischen jedem Ende des Strömungswegs ausreichend niedrig wird, als die vorbestimmte Verlängerungszeit eingerichtet werden.
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Wenn der Wasserentladeprozess abgeschlossen ist, ist das Umgehungsventil 62 oder dergleichen in einer Standardeinrichtungsbedingung eines Stoppens des Betriebs des Brennstoffzellenbetriebssystems 10 eingerichtet. Zum Beispiel ist auf der Seite der Anode die Zufuhr des Wasserstoffgases durch den Regulierer 26 eingerichtet, um gestoppt zu sein, und auf der Seite der Kathode ist der Betrieb des ACP 48 gestoppt und das Umgehungsventil 62 ist geschlossen.
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Wie im Vorhergehenden beschrieben, kann, da das Wasser, das in dem Umgehungs-Strömungsweg und in dem austrittsseitigen Strömungsweg vorhanden ist, gezwungenermaßen entladen wird, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenbetriebssystems gestoppt wird, das Einfrieren des Ventils durch die Außenlufttemperatur zu einer späteren Zeit verhindert werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein Brennstoffzellenbetriebssystem und ein Verfahren zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei dem Brennstoffzellenbetriebssystem angewandt. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung auf ein Brennstoffzellenbetriebssystem mit einem Ventil, das eine Strömung eines oxidierenden Gases auf einer Seite einer Kathode in einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff als ein Brennstoffgas verwendet, einstellt, und ein Verfahren zum Verhindern eines Einfrierens eines Ventils bei einem Brennstoffzellenbetriebssystem angewandt.
