DE112007001075B4

DE112007001075B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate darin

Info

Publication number: DE112007001075B4
Application number: DE112007001075.4T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2023-08-24
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: CN101443940B; KR20090005157A; JP2007305390A; DE112007001075T5; KR101078794B1; US8383279B2; CN101443940A; WO2007129719A1; JP5024721B2; US20090258260A1

Abstract

Es werden ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, ein Gefrieren an einem Verbindungsstück eines Zuleitungsgases und eines Umlaufgases während des Systembetriebs zu verhindern, und ein Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate in dem System offenbart.
In dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung trifft das von einer Brennstoffzelle abgegebene Umlaufgas auf das Versorgungsgas, das aus einer Gasversorgungsquelle der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und eine Durchflussrate des Umlaufgases wird unter Bezug auf die des Versorgungsgases unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme von Wasserdampf im Umlaufgas eingestellt. Die Durchflussrate des Umlaufgases kann unter Bezug auf die des Versorgungsgases durch eine Wärmebilanzberechnung am Verbindungsstück unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme eingestellt werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, in dem ein von einer Brennstoffzelle abgegebenes Gas auf ein Gas trifft, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und eine Methode zur Berechnung der Umlaufrate in diesem System.
Stand der Technik
Vormals war ein Brennstoffzellensystem allgemein bekannt, in dem ein von einer Brennstoffzelle abgegebenes Wasserstoffabgas auf ein von einem Hochdruckwasserstofftank abgegebenes Wasserstoffgas trifft, um der Brennstoffzelle erneut zugeführt zu werden. In diesem Brennstoffzellensystem ist auf halbem Wege der Versorgungsleitung, die vom Hochdruckwasserstofftank ausgeht, eine Zirkulations- bzw. Umlaufleitung zur Rückführung des Wasserstoffabgas in die Versorgungsleitung angeschlossen.
Da durch eine elektrochemische Reaktion Wasser erzeugt wird, enthält das Wasserstoffabgas, im Allgemeinen, viel Wasserdampf. Daher kondensiert der Wasserdampf, in der Umlaufleitung und dergleichen, nach dem Anhalten des Systems unterhalb eines Gefrierpunkts und das kondensierte Wasser kann gefrieren. Um dieses Problem zu lösen, wird in einem Brennstoffzellensystem, das in der JP 2005 - 093 110 A offenbart wurde, der Druck in der Umlaufleitung oder dergleichen nach Anhalten des Systems erhöht, wodurch der Kristallisationspunkt von Wasser gesenkt wird, um das Gefrieren in der Umlaufleitung zu verhindern.
Darüber hinaus offenbart die DE 103 31 261 A ein Brennstoffzellensystem, welches einen Abgasrückführmechanismus aufweist, welcher zum Mischen eines von einer Brennstoffzelle abgegebenen Abgases mit einem der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoffgas dient. Der Abgasrückführmechanismus ist mittels einer Treibmittelvakuumpumpe implementiert, bei welcher eine Auslaßfläche gesteuert werden kann, um einen Auslaßdruck in Übereinstimmung mit einem Zieldruck zu bringen.
Zudem offenbart die DE 10 2004 051 391 A1 ein Brennstoffzufuhrsystem für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches einen Controller, einen Druckregulator und eine Ejektorvorrichtung enthält. Der Controller regelt den Druck einer Hauptströmung des Brennstoffgases, welches von dem Druckregulator ausgegeben wird, und die Position einer Ejektordüse der Ejektor-Vakuumpumpe als Funktion der Elektrizität, die durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, um eine Strömungsrate eines Abgases, welches zurückgeleitet werden soll, zu der Brennstoffzelle einzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Zusätzlich fällt eine Temperatur eines Wasserstoffgases in einem Hochdruckwasserstofftank infolge der isolierten Expansion bei Gasverbrauch. Wenn der Betrieb eines Brennstoffzellensystems (im folgenden manchmal als „Systembetrieb“ bezeichnet) bei einer Außentemperatur unterhalb eines Gefrierpunkts ausgeführt wird, trifft das Wasserstoffgas unterhalb der Außentemperatur ein Wasserstoffabgas. Daher wird der Wasserdampf im Wasserstoffabgas an einem Verbindungsstück abgekühlt und kann schließlich gefrieren. Allerdings wird, in konventionellen Brennstoffzellensystemen, das Gefrieren während des Systembetriebs nicht berücksichtigt, und eine weiter Verbesserung wird gefordert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist das Gefrieren von einem Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und einem Gas, das von der Brennstoffzelle während des Systembetriebs abgegeben werden soll, an einem Verbindungsstück zu verhindern, und ein Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate in dem System bereitzustellen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 10 und 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der sich daran anschließenden abhängigen Ansprüche.
In einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung trifft ein Umlaufgas, das von einer Brennstoffzelle abgegeben wird, auf ein Versorgungsgas aus einer Gasversorgungsquelle, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll. Ferner wird eine Fließrate des Umlaufgases (diese wird im folgenden als „Umlaufrate“ bezeichnet) in Bezug auf die des Versorgungsgases, unter Berücksichtigung der latenteten Kondensationswärme von Wasserdampf im Umlaufgas, eingestellt.
Ebenfalls weist ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung eine Brennstoffzelle, eine Gasversorgungsquelle eines Versorgungsgases, eine Versorgungsleitung zum Zuführen des Versorgungsgases von der Gasversorgungsquelle zur Brennstoffzelle, eine Umlaufleitung zur Rückführung eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Umlaufgases in die Versorgungsleitung sowie ein Verbindungsstück, an dem das Versorgungsgas auf das Umleitungsgas trifft, auf. Ferner wird die Umlaufrate in Bezug auf die latentete Kondensationswärme von Wasserdampf im Umlaufgas eingestellt.
Entsprechend einem solchem Aufbau, wird, um die Umlaufrate einzustellen, die im Umlaufgas beinhaltete latentete Kondensationswärme von Wasserdampf berücksichtigt. In Folge dessen, kann das Umlaufgas auf das Versorgungsgas treffen, so dass der Wasserdampf im gemischten Umlaufgas vom Versorgungsgas nicht gekühlt oder eingefroren wird. Daher kann, während des Systembetriebes, das Gefrieren am Verbindungsstück von Versorgungsgas und Umlaufgas verhindert werden. Eine externe Heizung für die ausschließliche Nutzung, um das Gefrieren zu verhindern und dergleichen, muss nicht am Verbindungsstück eingerichtet werden.
Vorzugsweise ist die Gasversorgungsquelle die Quelle eines Brennstoffsystems, und das Versorgungsgas und das Umlaufgas werden einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zugeführt. In Folge dessen, kann in einem Zustand, in dem Gefrieren verhindert wird, das Umlaufgas des Brennstoffzellensystems zurückgeführt und der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle zugeführt werden.
Das „Versorgungsgas“ meint ein Konzept, das ein Brennstoffgas, typischerweise ein Wasserstoffgas und, in einem Fall, in dem eine Reformierungsbehandlung durchgeführt wird, ein wasserstoffreiches Brennstoffgas einschließt. Das „Versorgungsgas“ ist hauptsächlich ein Gas, das das Wasserstoffgas enthält, kann aber auch ein anderes Gas als Wasserstoffgas (z.B. ein komprimiertes Erdgas) sein. Das „Umlaufgas“ schließt hauptsächlich ein Wasserstoffabgas und Wasserdampf, die von der Brennstoffzelle abgegeben wurden, ein. Zusätzlich schließt das „Umlaufgas“ zum Beispiel ein in die Brennstoffzelle einsickerndes Stickstoffgas neben dem Wasserstoffabgas und dem Wasserdampf ein.
Vorzugsweise wird die Umlaufrate durch die Berechnung der Wärmebilanz am Verbindungsstück des Umlaufgases und des Versorgungsgases unter Berücksichtigung der latenteten Kondensationswärme eingestellt. In Folge dessen, kann die Wärmebilanz am Verbindungsstück genauer berechnet werden. Ferner wird die Umlaufrate basierend auf diesem Berechnungsergebnis eingestellt, so dass das Gefrieren am Verbindungsstück verhindert werden kann.
Die Umlaufrate wird unter Berücksichtigung der latenteten Kondensationswärme eingestellt, so dass eine Temperatur des Mischgases, das sich nach dem Mischen des Versorgungsgases und des Umlaufgases bildet, höher als eine vorgegeben Temperatur ist. In Folge dessen wird die Umlaufrate so eingestellt, dass zum Beispiel die Temperatur des Mischgases höher ist, als eine Temperatur, bei der Wasser gefriert, so dass das Gefrieren nach dem Mischen verhindert werden kann.
Insbesondere zu bevorzugen ist es, wenn die vorgegebene Temperatur der Wasserkristallisationspunkt bei einem Druck des Mischgases oder darüber ist. In Folge dessen kann das Gefrieren nach dem Mischen weiter verhindert werden, da das Mischgas eine Temperatur, die höher ist als eine Temperatur bei der Wasser zu gefrieren beginnt, erreicht.
An dieser Stelle fällt, wenn der Druck des Mischgases höher als 760 mmHG ist, der Kristallisationspunkt von Wasser unter 0°C. Daher ist in einem Fall, in dem der Druck des Mischgases höher ist als 760 mmHG, während die Umlaufrate so eingestellt ist, dass die Temperatur des Mischgases höher als 0°C ist, die Umlaufrate auf der sicheren Seite vom Standpunkt des Verhinderns des Gefrierens nach dem Mischen eingestellt. In einer zu bevorzugenden Konfiguration, kann die vorgegeben Temperatur daher 0°C betragen.
Vorzugsweise wird ein unterer Grenzwert für die Umlaufrate unter der Berücksichtigung der latenteten Kondensationswärme eingestellt. Die Temperatur des Umlaufgases während des Systembetriebs steigt infolge der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, wenn aber die Durchflussrate des Umlaufgases niedriger als die des Versorgungsgases ist, könnte der Wasserdampf nach dem Vermischen der Gase zum Gefrieren kondensiert werden. Daher kann der unterer Grenzwert auf die Umlaufrate zur Verhinderung des Gefrierens nach dem Mischen eingestellt werden.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung weiterhin eine Umlaufvorrichtung auf, die geeignet ist, die Durchflussrate des Umlaufgases, das dem Verbindungsstück von Versorgungsgas und Umlaufgas eingespeist wird, zu steuern. Entsprechend einem solchem Aufbau kann die Umlaufvorrichtung auf einfache Weise die Durchflussrate des Umlaufgases steuern.
Insbesondere zu bevorzugen ist eine Umlaufvorrichtung, die die Umlaufrate basierend auf mindestens einem von einer Temperatur des Versorgungsgases, eines Drucks des Umlaufgases und einer Außenlufttemperatur variieren kann.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung ferner eine Versorgungsleitung, die sich von der Gasversorgungsquelle zu einem Gaseinlass erstreckt, und ein Umlaufleitung auf, die sich vom Gasauslass der Brennstoffzelle zum Verbindungsstück zwischen Umlaufleitung und Versorgungsleitung erstreckt.
Ein Verfahren, die Umlaufrate in einem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung zu berechnen, ist ein Verfahren, die Umlaufrate in einem Brennstoffzellensystem zu berechnen, in dem ein Umlaufgas abgegeben von einer Brennstoffzelle auf ein Versorgungsgas von einer Gasversorgungsquelle, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, trifft. Das Verfahren weist den Schritt des Berechnens der Wärmebilanz am Verbindungsstück von Umlaufgas und Versorgungsgas unter Berücksichtigung der latenteten Kondensationswärme des Wasserdampfs im Umlaufgas und das Einstellen der Umlaufrate basierend auf dem Berechnungsergebnis auf.
Entsprechend dieses Aufbaus kann die Umlaufrate so eingestellt werden, dass der Wasserdampf im Umlaufgas, nach dem Verbinden, vom Versorgungsgas nicht abgekühlt oder eingefroren wird. In Folge dessen kann, während des Systembetriebs des Brennstoffzellensystems, das Gefrieren am Verbindungsstück verhindert werden.
Ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Offenbarung weist ein Verbindungsstück auf, an dem das Brennstoffgas, das aus einem Hochdrucktank einer Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf ein Brennstoffgas trifft, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll. Ferner wird das Brennstoffzellensystem so eingestellt, dass die Rate einer Durchflussrate des Brennstoffgases, das von einem Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, in Bezug auf die des Brennstoffgases, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll, geändert wird, wenn ein Wassergehalt am Verbindungsstück gefriert oder wenn das Gefrieren absehbar ist.
Entsprechend dieses Aufbaus kann, wenn der Wassergehalt am Verbindungsstück gefriert, die Rate des Brennstoffgases zum Beispiel zu einer Rate geändert werden, die den eingefrorenen Wassergehalt auftaut. Wenn das Gefrieren am Verbindungsstück absehbar ist, kann die Rate des Brennstoffgases so geändert werden, dass der Wassergehalt nicht gefriert. Daher kann, während des Systembetriebs, das Gefrieren am Verbindungsstück verhindert werden.
In diesem Fall ist es zu bevorzugen, dass die Rate basierend auf einer Last der Brennstoffzelle und einem Zustand des Brennstoffgases, das von einem Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ermittelt wird.
Figurenliste

1 ist ein Aufbaudiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Diagramm, das ein Berechnungsmodell zur Verwendung in einem Verfahren zur Umlaufratenberechnung im Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
3 ist ein Graph, der das Ergebnis einer Berechnung unter Verwendung des Berechnungsmodells aus 2 und die Beziehung zwischen einer Umlaufrate und einer Umlaufgastemperatur zeigt.

Beste Art, die Erfindung auszuführen
Nachfolgend werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate in diesem System gemäß einer zu bevorzugenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidationsgasleitungssystem 3, ein Brennstoffgasleitungssystem 4, ein Kältemittelleitungssystem 5 sowie eine Steuerungseinheit 7. Das Brennstoffzellensystem 1 ist auf einen mobilen Körper, wie zum Beispiel einem Fahrzeug, befestigt und liefert elektrische Energie an eine Kraftquelle des Fahrzeugs.
Die Brennstoffzelle 2 verfügt über eine Stapelbauweise, die zum Beispiel vom festkörperpolymerelektrolytischen Typ aufgebaut ist, und in der eine Vielzahl von Einzelzellen laminiert sind. Jede einzelne Zelle verfügt über eine Luftelektrode an einer Oberfläche eines Elektrolyten, der aus einem Ionentauscherfilm gebildet ist, eine Brennstoffelektrode auf der anderen Seite der Oberfläche des Elektrolyten, sowie ein Paar Abstandshalter bzw. Separatoren, die so angeordnet sind, dass die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode von gegenüberliegenden Seiten dazwischen eingeschoben sind. Ein Oxidationsgas wird einem Oxidationsgaskanal 2a in einem der Abstandshalter zugeführt und ein Brennstoffgas wird einem Brennstoffgaskanal 2b im anderen Abstandshalter zugeführt. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt die elektrische Energie infolge einer elektrochemischen Reaktion zwischen dem zugeführten Brennstoffgas und dem zugeführten Oxidationsgas. Die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 2 ist eine wärmeerzeugende Reaktion, und eine Temperatur der Brennstoffzelle 2 vom festkörperpolymerelektrolytischen Typ liegt zwischen 60 und 70°C.
Das Oxidationsgasleitungssystem 3 liefert Luft (Sauerstoff) als das oxidierende Gas zur Brennstoffzelle 2. Das Oxidationsgasleitungssystem 3 verfügt über eine Versorgungsleitung 11 und eine Auslassleitung 12. Das Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, fließt durch die Versorgungsleitung 11. Die Versorgungsleitung ist mit einem Kompressor 14 versorgt, der das Oxidationsgas durch einen Filter 13 aufnimmt, sowie einem Befeuchter 15, der das Oxidationsgas, das unter Druck durch den Kompressor 14 eingespeist werden soll, befeuchtet. Ein Oxidationsgas, das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, fließt durch die Auslassleitung 12. Das Oxidationsabgas durchströmt ein Rückstauregelventil 16, wird einem Wassergehaltsaustausch im Befeuchter 15 unterzogen und wird schließlich als ein Abgas vom System an die Atmosphäre abgegeben.
Das Brennstoffgasleitungssystem 4 liefert ein Wasserstoffgas als Brennstoffgas an die Brennstoffzelle 2. Das Brennstoffgasleitungssystem 4 verfügt über eine Wasserstoffgasversorgungsquelle 21, eine Versorgungsleitung 22, eine Umlaufleitung 23, eine Pumpe 24 sowie eine Abführleitung 25. Die Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 wird zum Beispiel aus einem Hochdrucktank einer wasserstoffabsorbierenden Legierung und dergleichen gebildet und ist so ausgebildet, dass zum Beispiel 35 MPa oder 70 MPa Wasserstoffgas gespeichert werden können.
Das Wasserstoffgas, das von der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, fließt durch die Versorgungsleitung 22. Ein stromaufwärts gelegenes Ende der Versorgungsleitung steht in Verbindung mit der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 und ein stromabwärts gelegenes Ende derselben steht in Verbindung mit einem Brennstoffgaseinlass 8 der Brennstoffzelle 2. Wenn ein originäres Ventil 26 der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 geöffnet wird, fließt das Wasserstoffgas in die Versorgungsleitung 22 hinaus. Ein Druck des Wasserstoffgases wird schließlich, durch Druckminderventile, wie ein Druckregelventil 27, auf zum Beispiel circa 200 kPa reduziert, um das Gas dem Brennstoffgaskanal 2b durch den Brennstoffgaseinlass 8 zuzuführen. Es ist festzustellen, dass ein Zuführdruck des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 2 basierend auf einer benötigten Leistungsabgabe (Last) der Brennstoffzelle 2 reguliert wird. Die Versorgungsleitung 22 ist mit einem Abstellventil 28 an einer stromaufwärts gelegenen Seite des Verbindungsstücks A versorgt.
Die Umlaufleitung 23 führt das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben Umlaufgas zum Verbindungsstück A zwischen der Umlaufleitung und der Versorgungsleitung 22 zurück. Ein stromaufwärts gelegenes Ende der Umlaufleitung 23 steht in Verbindung mit einem Brennstoffgasauslass 9 der Brennstoffzelle 2 und ein stromabwärts gelegenes Ende derselben steht am Verbindungsstück A in Verbindung mit der Versorgungsleitung 22. Ein Kanal eines Umlaufsystems 29 ist aufgebaut, indem die Umlaufleitung 23, ein stromabwärts gelegener Kanal des Verbindungsstücks A der Versorgungsleitung 22 sowie der Brennstoffgaskanal 2b miteinander in Folge in Verbindung stehen.
An dieser Stelle seien ein „Versorgungsgas“, ein „Umlaufgas“ sowie ein „Mischgas“ für die Verwendung in der nachfolgenden Beschreibung wie folgt definiert.
Das „Versorgungsgas“ ist das Brennstoffgas, das von der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, und ist an dieser Stelle das Wasserstoffgas, das durch einen Abschnitt der Versorgungsleitung 22 von der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 zum Verbindungsstück A fließt. Es ist festzustellen, dass das Versorgungsgas nicht darauf beschränkt ist, dass das Wasserstoffgas im Hochdrucktank über eine 100% Reinheit verfügt, und darf in einem Fall, in dem das Gas zum Beispiel einer Reformierungsbehandlung unterzogen wird, ein wasserstoffreiches Brennstoffgas sein.
Das „Umlaufgas“ ist das Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben werden soll, und ist an dieser Stelle ein Gas, das durch die Umlaufleitung 23 vom Brennstoffgasauslass 9 der Brennstoffzelle 2 zum Verbindungsstück A fließt. Das Umlaufgas ist das Wasserstoffgas (im folgenden manchmal als „Wasserstoffabgas“ bezeichnet), das hauptsächlich von der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, und ist ein Gas das Wasserdampf und Stickstoffgas beinhaltet. Der Wasserdampf wird hauptsächlich durch das Verdampfen des hergestellten Wassers, das durch eine energieerzeugende Reaktion der Brennstoffzelle 2 hergestellt wird, gewonnen, und ist im Umlaufgas enthalten. Das Stickstoffgas passiert so genannte Kreuzleckagen durch die Brennstoffelektrode von der Luftelektrode der Brennstoffzelle 2 durch den Ionentauscherfilm hindurch, wodurch das Gas in das Umlaufgas eingebracht wird. Das Umlaufgas trifft auf das Versorgungsgas am Verbindungsstück A, um der Brennstoffzelle 2 zugeführt zu werden.
Das „Mischgas“ ist ein Gas, das, nachdem das Versorgungsgas am Verbindungsstück A auf das Umlaufgas getroffen ist, hergestellt wird, und fließt durch einen Abschnitt der Versorgungsleitung 22 vom Verbindungsstück A zum Brennstoffgaseinlass 8.
Die Pumpe 24 (eine Umlaufvorrichtung) speist das Umlaufgas in der Umlaufleitung 23 unter Druck in die Versorgungsleitung 22 ein. Für die Pumpe können verschiedenen Typen eingesetzt werden, und zum Beispiel wird eine vom Volumen Typ eingesetzt. Die Pumpe 24 schließt zum Beispiel einen Dreiphasenwechselstrommotor (nicht dargestellt) sowie einen Kompressorabschnitt, der über einen mit einer Antriebsachse des Motors verbundenen Impeller verfügt, ein. Antrieb, Stillstand sowie Umdrehungszahl des Motors werden durch die Steuervorrichtung 7 gesteuert. In der Pumpe 24 kann die Umdrehungszahl des Motors gesteuert werden, um die Umdrehungszahl des Impellers zu steuern, so dass eine Durchflussrate des Umlaufgases, das unter Druck zum Verbindungsstück A gespeist wird, gesteuert werden kann.
Die Abführleitung 25 ist verzweigt und mit der Umlaufleitung 23 verbunden. Die Abführleitung 25 ist mit einem Abführventil 33 als Abstellventil ausgestattet. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 in Betrieb ist, öffnet sich das Abführventil 33 in passender Weise, wodurch Verschmutzungen im Umlaufgas zusammen mit Wasserstoffabgas zu einem Wasserstoffverdünner (nicht dargestellt) abgegeben werden. Wenn sich das Abführventil 33 öffnet, fällt eine Konzentration der Verschmutzungen im Umlaufgas und eine Konzentration von Wasserstoff im Umlaufgas erhöht sich. An dieser Stelle schließen die Verschmutzungen im Umlaufgas das vorgenannte Stickstoffgas neben einem Wassergehalt, wie das hergestellte, im Umlaufgas enthaltene Wasser, ein.
Eine Mehrzahl von Temperatursensoren 61, 62 und Drucksensoren 63, 64 sind im Brennstoffgasleitungssystem 4 angeordnet. Der Temperatursensor 61 ist entlang der Versorgungsleitung 22 an der stromaufwärts gelegenen Seite des Verbindungsstücks A angeordnet und erfasst eine Temperatur des Versorgungsgases. Der Temperatursensor 62 ist entlang der Umlaufleitung 23 angeordnet und erfasst eine Temperatur des Umlaufgases. Der Drucksensor 63 ist entlang der Versorgungsleitung 22 an der stromabwärts gelegenen Seite des Verbindungsstücks A angeordnet und erfasst einen Druck des Mischgases. Der Drucksensor 64 ist entlang der Umlaufleitung 23 angeordnet und erfasst einen Druck des Umlaufgases. Es ist festzustellen, dass andere Temperatursensoren sowie andere Drucksensoren in dem Brennstoffgasleitungssystem 4 angeordnet werden können, und dass die Auslegung von Anzahl und Position der Sensoren passend geändert werden kann. Zum Beispiel können verschiedene Sensoren, die den Druck des Versorgungsgases, den Druck des Umlaufgases sowie die Temperatur des Mischgases erfassen, angeordnet werden.
Das Kältemittelleitungssystem 5 führt ein Kältemittel zur Brennstoffzelle 2, um die Brennstoffzelle 2 zu kühlen. Das Kältemittelleitungssystem 5 weist einen Kältemittelkanal 41, eine Kühlpumpe 42, einen Radiator bzw. Kühler, einen Umgehungskanal 44 sowie ein Umschaltventil 45 auf. Der Kältemittelkanal 41 steht in Verbindung mit einem Kühlkanal 2c in der Brennstoffzelle 2. Der Kältemittelkanal 41 weist einen Temperatursensor 46, der in der Nähe eines Kältemitteleinlasses der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist, sowie einen Temperatursensor 47, der in der Nähe eines Kältemittelauslasses der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist auf. Die Kältemitteltemperatur, die durch den Temperatursensor 47 erfasst werden soll, spiegelt eine innere Temperatur der Brennstoffzelle 2 (im folgenden als Temperatur der Brennstoffzelle 2 bezeichnet) wieder. Die Kühlpumpe 42 ist entlang des Kältemittelkanals 41 angeordnet. Der Radiator 43 kühlt das Kältemittel, das von der Brennstoffzelle 2 abgegeben wurde. Der Umgehungskanal 44 umgeht den Radiator 43. Das Umschaltventil 45 stellt den Umlauf von Kühlwasser durch den Radiator 43 sowie den Umgehungskanal 44 ein.
Die Steuerungseinheit 7 steuert im Allgemeinen das ganze System. Die Steuerungseinheit 7 ist als ein Mikrocomputer, in den eine CPU, ein ROM sowie ein RAM eingearbeitet sind, aufgebaut. Die CPU arbeitet gewünschte Berechnungen gemäß eines Steuerungsprogramms ab, um verschiedene Bearbeitungen durchzuführen, und steuert so zum Beispiel die Steuerung der Pumpe 24, wie später beschrieben. Das ROM speichert das Steuerungsprogramm sowie Steuerungsdaten, die von der CPU bearbeitet werden, und speichert eine Umlaufrate, wie später beschrieben. Das RAM wird für verschiedene Betriebsbereiche verwendet, hauptsächlich zur Steuerungsbearbeitung. Die Steuerungseinheit 7 empfängt Messwerte von verschieden Temperatursensoren 46, 47, 61 und 62 sowie Drucksensoren 63, 64 zur Verwendung in den Gassystemen (3, 4) und dem Kältemittelsystem 5 sowie von einem Außentemperatursensor 51 zur Erfassung der Außenlufttemperatur, in der das Brennstoffzellensystem 1 errichtet ist und dergleichen, und die Steuerungseinheit sendet Steuersignale zu verschieden aufgebauten Elementen, wie zum Beispiel der Pumpe 24.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf 2 und 3 ein Verfahren, die Umlaufrate im Brennstoffzellensystem 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform zu berechnen, beschrieben.
Die „Umlaufrate“ ist ein Verhältnis einer Durchflussrate des Umlaufgases zu der des Versorgungsgases und wird durch die folgende Gleichung definiert (1): $C_{RE} = M_{RE} / M_{SUP}$
in der C_RE die Umlaufrate ist, M_RE die Durchflussrate des Umlaufgases ist und M_SUP die Durchflussrate des Versorgungsgases ist. Es ist festzustellen, dass der Verbrauch des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle 2, der einhergeht mit der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 2, mit der Durchflussrate M_SUP des Versorgungsgases korreliert.
Üblicherweise fällt eine Temperatur des Versorgungsgases in der Wasserstoffgasversorgungsquelle 21 infolge der isolierten Expansion, die mit dem Gasverbrauch einhergeht. Daher fällt die Temperatur des Versorgungsgases unter den Gefrierpunkt, wenn das Brennstoffzellensystem 1 in einer Niedrigtemperaturumgebung betrieben wird, zum Beispiel bei einer Außenlufttemperatur unterhalb eines Gefrierpunkts. Andererseits verfügt das Umlaufgas über eine Temperatur nahe an der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle 2 in einem Bereich von zum Beispiel 60 bis 70°C. Wenn das Versorgungsgas sich mit dem Umlaufgas am Verbindungsstück A vermischt, wird die Temperatur des Versorgungsgases durch das Umlaufgas angehoben, wohingegen das Wasserstoffabgas und der Wasserdampf im Umlaufgas durch das Versorgungsgas abgekühlt werden. Wenn die Temperatur des Mischgases unter einen Kristallisationspunkt von Wasser fällt, wird der Wasserdampf im Umlaufgas kondensiert, um Wasser zu bilden, und wandelt sich dann zu Eis.
Die vorliegende Erfindung hat ein Wärmegleichgewicht am Verbindungsstück A festgestellt und hat ein Rechenmodell, das in 2 gezeigt ist, erstellt, um die Umlaufrate C_RE in passender Weise für das Brennstoffzellensystem 1 zu berechnen, insbesondere die Umlaufrate C_RE bei der der Wasserdampf im Umlaufgas sich nicht schließlich zu Eis wandelt. In dem Rechenmodell wird angenommen, dass eine aufzunehmende Wärmemenge, die für das Versorgungsgas nötig ist, damit eine Mischgastemperatur T₀ am Verbindungsstück A erreicht wird, einem Wert gleich ist, der erhalten wird durch Addition einer Wärmemenge, die bis zu einem Zeitpunkt abgegeben wird, wenn das Umlaufgas die Mischgastemperatur T₀ erreicht, und einer latenteten Kondensationswärme zu dem Zeitpunkt, wenn der gesamte Wasserdampf im Umlaufgas zu Wasser wird.
Daher kann in diesem Berechnungsmodell, unter der Annahme, dass die Durchflussrate des Versorgungsgases am Verbindungsstück A gleich 1 (eins) ist und dass die Durchflussrate des Umlaufgases gleich C_RE ist, das Wärmegleichgewicht am Verbindungsstück A durch die folgende Gleichung (2) berechnet werden: $(T_{0} - T_{SUP}) \times 1 \times {Cp}_{(H 2)} = (T_{RE} - T_{0}) \times C_{RE} \times {Cp}_{(H 2 / H 20 / N 2)} + Q \times C_{RE} \times (P_{[T]} / P_{RE})$
in der die verwendeten Zeichen folgende Bedeutung haben:

TSUP: eine Temperatur [°C] des Versorgungsgases;
TRE: eine Temperatur [°C] des Umlaufgases;
T0: eine Temperatur [°C] des Mischgases;
Cp(H2): eine molare Wärmekapazität bei konstantem Druck [kJ / kmol x K] des Wasserstoffs;
Cp(H2/H20/N2): eine durchschnittliche molare Wärmekapazität bei konstantem Druck [kJ / kmol × K] des Umlaufgases;
Q: eine latentete Kondensationswärme [kJ / g] des Wasserdampfs;
P[T]: ein Druck des gesättigten Wasserdampfs [kPa] bei einer Umlaufgastemperatur T_RE; und
PRE: ein Druck [kPa] des Umlaufgases.

Ein zweiter Term „Q × C_RE × (P_[T]/P_RE)“ einer rechten Seite der Gleichung (2) zeigt die latentete Kondensationswärme zu einem Zeitpunkt an, wenn der gesamte Wasserdampf im Umlaufgas zu Wasser wird.
An dieser Stelle ändert sich die latentete Wärme Q in Abhängigkeit von der Umlaufgastemperatur T_RE, aber die Temperatur der Brennstoffzelle 2 oder die Maximaltemperatur des Umlaufgases können zum Beispiel auf einen Bezugswert eingestellt werden. Ein Grund dafür ist, dass je höher die Temperatur ist, umso niedriger wird die latentete Wärme Q, und die Berechnung kann daher auf der sicheren Seite, vom Standpunkt des Verhinderns des Gefrierens aus, durchgeführt werden. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 zum Beispiel über einen maximalen Wert von 70°C verfügt, weist das auf eine latente Wärme von 2,331 kJ/kg hin, und diese Einheit wird daher in einen Wert der latenten Wärme Q umgerechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wurde die latente Wärme bei 70°C an die Stelle der latenten Wärme Q in der Gleichung (2) gesetzt, um die Gleichung zu berechnen.
Der Druck des gesättigten Wasserdampfs P_[T] ändert sich in Abhängigkeit von der Umlaufgastemperatur T_RE, aber die Umlaufgastemperatur T_RE beträgt, wie vormals beschrieben, zum Beispiel 60 bis 70°C. In der vorliegenden Ausführungsform wurde der Druck des gesättigten Wasserdampfs bei 70°C an die Stelle des Drucks des gesättigten Wasserdampfs P_[T] in der Gleichung (2) gesetzt, um die Gleichung zu berechnen.
Der Druck des Umlaufgases P_RE entspricht einem Auslassdruck der Brennstoffzelle 2. Der Druck des Umlaufgases P_RE schwankt in Abhängigkeit einer Last der Brennstoffzelle 2 in der gleichen Weise wie der Druck des Versorgungsgases, erreicht zum Beispiel einen Druck P₁ bei hoher Last und erreicht einen Druck P₂, der niedriger ist als P₁, bei niedriger Last. In der vorliegenden Ausführungsform wurden diese Drücke P₁ und P₂ an die Stelle des Drucks des Umlaufgases P_RE in der Gleichung (2) gesetzt, um die Gleichung zu berechnen.
Im vorgenannten Berechnungsmodell wird angenommen, das die Wärmekapazität von Wasser, die von Wasserdampf ist. Der Grund dafür ist, dass die Wärmekapazität einen Gases kleiner ist, als die einer Flüssigkeit, und daher kann die Berechnung auf der sicheren Seite, vom Standpunkt des Verhinderns des Gefrierens aus, durchgeführt werden. Weiterhin wird angenommen, dass die Wärmekapazität die eines idealen Gases ist. Der Grund dafür ist, dass es infolge der Temperatur kaum einen Unterschied gibt.
Des Weiteren wird im Berechnungsmodell angenommen, dass das Umlaufgas gesättigter Dampf ist. Weiterhin wird angenommen, dass die von einem Rohr am Verbindungsstück A aufgenommene Wärme nicht berücksichtigt wird und die Berechnung auf der sicheren Seite, vom Standpunkt des Verhinderns des Gefrierens aus, durchgeführt wird. Es ist festzustellen, dass die durchschnittliche molare Wärmekapazität Cp_(H2/H20/N2) des Umlaufgases eine durchschnittliche molare Wärmekapazität bei konstantem Druck von Wasserstoff, Wasserdampf und Stickstoff ist, ein Unterschied zwischen den molaren Wärmekapazitäten dieser Gase ist aber gering, und daher kann in einer anderen Ausführungsform die molare Wärmekapazität von Wasserstoff bei konstantem Druck für Cp_(H2/H20/N2) verwendet werden.
Ferner kann im vorgenannte Berechnungsmodell die Temperatur T₀ des Mischgases auf den Kristallisationspunkt von Wasser bei dem Druck des Mischgases eingestellt werden. Der Druck des Mischgases schwankt mit der Last der Brennstoffzelle 2. Wenn der Druck jedoch zum Beispiel, wie vorgenannt beschrieben, 200 kPa beträgt, ist ein Druckwert größer als 101,3 kPa (ungefähr gleich 760 mmHG), und daher liegt der Kristallisationspunkt von Wasser bei diesem Druck unter 0°C. In Folge dessen kann der Wasserkristallisationspunkt unter 0°C an die Stelle der Mischgastemperatur T₀ in der Gleichung (2) gesetzt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wurde jedoch 0°C an die Stelle der Mischgastemperatur T₀ in der Gleichung (2) gesetzt, um die Gleichung zu berechnen. Der Grund dafür ist, dass die auf 0°C eingestellte Mischgastemperatur T₀ höher als der Kristallisationspunkt von Wasser bei dem Mischgasdruck liegt, wodurch die Berechnung auf der sicheren Seite, vom Standpunkt des Verhinderns des Gefrierens aus, durchgeführt werden kann. Angenommen, dass in der Gleichung (2) T₀ = 0°C gilt, ergibt sich die folgende Gleichung (3) $- T_{SUP} {Cp}_{(H2)} = T_{RE} C_{RE} {Cp}_{(H2 / H20 / N2)} + {QC}_{RE} (P_{[T]} / P_{RE})$
Dann wurde Angenommen, dass eine Umlaufrate C_RE eine Veränderliche der Gleichung (3) sei, und die Umlaufgastemperatur T_RE zu einem Zeitpunkt, an dem die Mischgastemperatur 0°C betrug, wurde berechnet. An dieser Stelle wurde ein Fall angenommen, in dem das Brennstoffzellensystem 1 oder ein Fahrzeug, auf dem dieses System 1 befestigt wurde, in einer Umgebung bei einer bestimmten niedrigen Temperatur (z.B. -20°C) eingesetzt wurde, und es wurden vier Kombinationen aus der Versorgungsgastemperatur T_SUP sowie dem Umlaufgasdruck P_RE berechnet. Die Berechnungsergebnisse der vier Kombinationen werden durch die Kurven L1 bis L3 in 3 gezeigt.
Die Kurve L1 ist ein Fall, in dem (T_SUP, P_RE) = (T₁, P₁).
Die Kurve L2 ist ein Fall, in dem (T_SUP, P_RE) = (T₁, P₂).
Die Kurve L3 ist ein Fall, in dem (T_SUP, P_RE) = (T₂, P₁).
Die Kurve L4 ist ein Fall, in dem (T_SUP, P_RE) = (T₂, P₂).
Es ist festzustellen, dass T₁ < T₂ und P₁ > P₂.
An dieser Stelle ist die Temperatur T₁ eine Versorgungsgastemperatur während einem ununterbrochenen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 und ist zum Beispiel eine Temperatur hinreichend niedriger als -20°C. Die Temperatur T₂ ist eine Versorgungsgastemperatur während des Anlassens des Brennstoffzellensystems 1 und ist zum Beispiel eine Temperatur nahe -20°C. Es ist festzustellen, dass während des ununterbrochenen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 die Brennstoffzelle 2 die Energie erzeugt und ein Fahrzeug infolge der erzeugten Energie betrieben werden kann.
3 wird im Folgenden analysiert. Zuerst wird die Kurve L1 berücksichtigt. Die Mischgastemperatur übersteigt 0°C in einem Gebiet oberhalb der Kurve L1 und liegt unter 0°C in einem Gebiet unterhalb der Kurve L1. Dies gilt ebenso für die anderen Kurven L2 bis L4, die Mischgastemperatur übersteigt 0°C in einem Gebiet oberhalb jeder der Kurven L2 bis L4 und die Mischgastemperatur fällt unter 0°C in einem Gebiet unterhalb jeder der Kurven L2 bis L4.
Ferner benötigt, wenn die Kurven L1 und L2 berücksichtigt werden, die Kurve L1, die bei einer beliebigen Umlaufrate C_RE über einen höheren Umlaufgasdruck P_RE verfügt, eine hohe Umlaufgastemperatur T_RE, um eine Mischgastemperatur von 0°C zu erzielen. Des Weiteren benötigt, wenn die Kurven L1 und L3 berücksichtigt werden, die Kurve L1, die bei einer beliebigen Umlaufrate C_RE über eine niedrigere Versorgungsgastemperatur T_SUP verfügt, eine hohe Umlaufgastemperatur T_RE, um eine Mischgastemperatur von 0°C zu erzielen.
An dieser Stelle wird ein Fall untersucht, in dem die Umlaufrate C_RE eine der Umlaufrate C₁ bis C₄ ist. Es ist festzustellen, dass es eine Relation von C₁ < C₂ < C₃ < C₄ gibt.
Wie von den Kurven L1 und L2 gezeigt wird, ist es, wenn die Umlaufrate C₁ ist, erforderlich, dass die Umlaufgastemperatur T_RE bei 70°C oder mehr liegt, so dass eine Mischgastemperatur von 0°C oder mehr erzielt wird. Da die Umlaufgastemperatur T_RE jedoch, wie vorgenannt beschrieben, in einem Bereich von 60 bis 70°C liegt, kann diese Anforderung nicht erfüllt werden. Das heißt, dass, unter der Annahme, dass die Umlaufrate C_RE auf C₁ eingestellt wird, in der Niedrigtemperaturumgebung von -20°C die Mischgastemperatur, während des ununterbrochen Betriebs des Systems 1, unter 0°C fällt, und resultierend der Wasserdampf im Umlaufgas schließlich am Verbindungsstück A gefriert. Als Folge wird erkannt, dass die Umlaufrate C_RE nicht auf die Umlaufrate C₁ eingestellt werden kann.
Wenn die Umlaufrate C₂ beträgt, wird zum Erzielen der Mischgastemperatur von 0°C oder mehr eine Umlaufgastemperatur T_RE, unter den Bedingungen von Kurve L2, um 52°C oder mehr benötigt, und, unter den Bedingungen von Kurve L1, wird eine um 59°C oder mehr benötigt. Unter der Erwägung, dass das Umlaufgas T_RE in einem Bereich von 60 bis 70°C liegt, kann die Umlaufrate C_RE auf C₂ eingestellt werden.
Wie vorgenannt beschrieben ist jedoch, unter den Bedingungen von Kurve L1, der Umlaufgasdruck P_RE hoch, das heißt, die Brennstoffzelle 2 kann, verglichen mit den Bedingungen von Kurve L2, über eine hohe Last verfügen. Um die Umlaufrate C_RE auf C₂ einzustellen, kann angemerkt werden, dass es während des ununterbrochenen Betriebs der Brennstoffzelle 2 bei niedrige Last Raum gibt, aber es kann nicht angemerkt werden, dass es während des ununterbrochenen Betriebs der Brennstoffzelle 2 bei hoher Last (z.B. während hochtourigem Betriebs) Raum gibt. Besonders wird erkannt, dass wenn die Umgebung über eine niedrige Temperatur unter -20°C verfügt, die Kurven L1 und L2 parallel nach oben verschoben werden, daher kann das Gefrieren am Verbindungsstück A nicht verhindert werden, und die Umlaufrate C_RE kann nicht auf C₂ eingestellt werden.
Wenn die Umlaufrate C₃ beträgt, wird, unter den Bedingungen von Kurve L1, zum Erzielen der Mischgastemperatur von 0°C oder mehr eine Umlaufgastemperatur T_RE um 41 °C oder mehr benötigt. Da die Umlaufgastemperatur T_RE in einem Bereich von 60 bis 70°C liegt, kann geurteilt werden, dass das Gefrieren am Verbindungsstück A während des ununterbrochenen Betriebs des Systems 1 vermieden werden kann, selbst wenn die Umlaufrate auf C₃ eingestellt wird.
Wenn die Umlaufrate C₃ beträgt, wird, unter den Bedingungen von Kurve L3, zum Erzielen der Mischgastemperatur von 0°C oder mehr ferner eine Umlaufgastemperatur T_RE um 25°C oder mehr benötigt. Das heißt, wenn die Umlaufrate C₃ beträgt, wird eine Umlaufgastemperatur T_RE um 25°C benötigt, um das Gefrieren während des Anlassens des Systems 1 zu verhindern. Während des Anlassens des Systems 1 steigt die Umlaufgastemperatur T_RE jedoch nicht ausreichend und erreicht keine 25°C. Mit dem Umlaufgas bei 30°C oder weniger kann jedoch, da eine sehr geringe Menge an Wasserdampf im Umlaufgas enthalten ist, geurteilt werden, dass das Verschließen der Versorgungsleitung 22 als Folge des Gefrierens des kondensierten Tauwassers während des Ansteigens der Temperatur vermieden werden kann. Daher kann geurteilt werden, dass selbst dann, wenn die Umlaufrate auf C₃ eingestellt wird, das Auftreten des Verschließens des Kanals in Folge des Gefrierens am Verbindungsstück A während des Anlassens des Systems 1 vermieden werden kann.
Wenn die Umlaufrate auf C₄ eingestellt wird, wird der benötigte Wert, verglichen mit der Umlaufrate C₃, des Umlaufgastemperatur T_RE entspannt (verringert). Daher kann, selbst wenn die Umlaufrate auf C₄ eingestellt wird, das Verschließen des Kanals in Folge des Gefrierens am Verbindungsstück A während des Anlassens und des ununterbrochenen Betriebs des Systems 1 vermieden werden. Wenn jedoch die Umlaufrate C_RE groß ist, ist die Umdrehungszahl der Pumpe 24 (die Motorumdrehungszahl oder die Impellerumdrehungszahl) groß und der Energieverbrauch der Pumpe 24 ist groß. Folglich fällt eine Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems 1, wenn die Umlaufrate C_RE allzu groß ist. Aus den vorgenannten Überlegungen kann abgeleitet werden, dass ein Zielwert für die Umlaufrate C_RE auf zum Beispiel C₃ eingestellt werden kann, bei dem das Gefrieren am Verbindungsstück A verhindert werden kann, und an dem die Effizienz des gesamten Brennstoffzellensystems 1 nicht beeinträchtigt wird.
Gemäß des vorgenannten Verfahrens zur Berechnung der Umlaufrate C_RE kann in der vorliegenden Ausführungsform, da die latente Kondensationswärme des Wasserdampfs im Umlaufgas bei der Berechnung der Wärmebilanz am Verbindungsstück A berücksichtigt wird, die Wärmebilanz am Verbindungsstück A genau berechnet werden. Ferner kann, basierend auf dem Ergebnis der Wärmebilanzberechnung, die Umlaufrate C_RE, bei der das Verschließen des Kanals in Folge des Gefrierens des Wasserdampfs am Verbindungsstück A verhindert werden kann, auf so einen Wert eingestellt werden, dass die Effizienz des gesamten Systems 1 nicht beeinträchtigt wird. Daher kann, selbst während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 unterhalb des Gefrierpunkts, das Gefrieren am Verbindungsstück A verhindert werden, und eine externe Heizung für die ausschließliche Nutzung, um das Gefrieren zu verhindern und dergleichen, muss nicht am Verbindungsstück eingerichtet werden.
In einer anderen Ausführungsform kann die Steuerungseinheit 7 die Umlaufrate C_RE in Abhängigkeit einer Gegebenheit des Brennstoffzellensystems 1 variieren. Zum Beispiel, wenn der Wassergehalt am Verbindungsstück A gefriert, kann die Umlaufrate C_RE verändert werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die Umlaufrate C_RE zu verändern, so dass der am Verbindungsstück A gefrorene Wassergehalt aufgetaut wird, und es ist vorzuziehen, die Umlaufrate C_RE zu erhöhen. In ähnlicher Weise kann die Umlaufrate C_RE verändert werden, wenn das Gefrieren am Verbindungsstück A absehbar ist. In diesem Fall, ist es vorzuziehen, die Umlaufrate C_RE zu verändern, so dass das Gefrieren am Verbindungsstück A nicht auftritt, und es ist vorzuziehen, die Umlaufrate C_RE zu erhöhen. Es ist festzustellen, dass wenn die Umlaufrate C_RE erhöht wird, es bedeutet, dass sich die Durchflussrate M_RE des Umlaufgases erhöht.
Die Steuerungseinheit 7 kann, zum Beispiel basierend auf dem Energieverbrauch der Pumpe 24 und des Drucks in der Versorgungsleitung 22, beurteilen, ob das Gefrieren des Wassergehalts am Verbindungsstück A stattfindet oder nicht, und ob es die Möglichkeit des Gefrierens des Wassergehalts gibt oder nicht. Zum Beispiel wird, wenn der Energieverbrauch der Pumpe 24 größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert, geurteilt, dass der Wassergehalt am Verbindungsstück A gefriert.
Wenn die Umlaufrate C_RE variiert wird, kann ein oberer Grenzwert der Umlaufrate C_RE unter Berücksichtigung der Effizienz des gesamten Systems 1 festgelegt werden, und ein unterer Grenzwert der Umlaufrate C_RE kann unter Berücksichtigung des Gefrierens des Wasserdampfs festgelegt werden. Zum Beispiel kann der obere Grenzwert der Umlaufrate C_RE auf C₄ eingestellt werden, und ein unterer Grenzwert kann auf C₂ oder C₃ eingestellt werden. Die Umlaufrate C_RE, die während des Gefrierens des Wassergehalts am Verbindungsstück A oder zu einem Zeitpunkt, an dem das Gefrieren absehbar ist, variiert werden soll, kann basierend auf der Last der Brennstoffzelle 2 und einem Zustand des Versorgungsgases (z.B. der Versorgungsgastemperatur T_SUP) beschrieben werden. Zum Beispiel, wenn die Brennstoffzelle 2 über eine hohe Last verfügt, kann die Umlaufrate C_RE im Vergleich zur niedrigen Last erhöht werden. Wenn die Versorgungsgastemperatur T_SUP niedrig ist, kann die Umlaufrate C_RE im Vergleich zu einem Fall, in dem die Temperatur hoch ist, erhöht werden.
Die Umlaufrate C_RE kann durch Steuern der Pumpe 24 variiert werden. Zum Beispiel kann die Umlaufrate C_RE der Pumpe 24 basierend auf mindestens einem aus der Versorgungsgastemperatur T_SUP, dem Umlaufgasdruck P_RE und einer Außenlufttemperatur variiert werden, und die Umlaufrate C_RE kann einschließlich des oberen Grenzwerts und des unteren Grenzwerts der Umlaufrate C_RE basierend auf diesen Elementen (T_SUP, P_RE und einer Außenlufttemperatur) passend eingestellt werden. Daher können im Brennstoffzellensystem 1 die Daten der Umlaufrate C_RE entsprechend den Bedingungen der Versorgungsgastemperatur T_SUP, dem Umlaufgasdruck P_RE und der Außenlufttemperatur als eine Karte im ROM der Steuerungseinheit 7 gespeichert werden.
Dann kann im Brennstoffzellensystem 1 während des Anlassens oder des Betriebs zumindest einer aus der Versorgungsgastemperatur T_SUP, dem Umlaufgasdruck P_RE und der Außenlufttemperatur von einem Sensor erfasst werden, und eine optimale Umlaufrate C_RE kann aus dem ROM basierend auf den Messergebnissen gelesen werden, um die Umlaufrate C_RE einzustellen oder zu ändern. An dieser Stelle kann die Versorgungsgastemperatur T_SUP zum Beispiel von Temperatursensor 61 erfasst werden, der Umlaufgasdruck P_RE kann zum Beispiel von Drucksensor 64 erfasst werden, und die Außenlufttemperatur kann von Außenlufttemperatursensor 51 erfasst werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Ein Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich zu dem vorgenannten Fahrzeug auf anderen mobilen Bauteilen, wie ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Rädern, einem Zug, einem Flugzeug, einem Boot oder einem Roboter befestigt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 kann von einem feststehend Typ sein und in einem Blockheizkraftwerk eingebaut sein. In vorgenanntem Beispiel wurde eine Umlaufrate eines Anodengassystems (Treibstoffgassystems) beschrieben, aber selbstverständlich ist die vorliegende Ausführungsform auch geeignet, die Umlaufrate eines Kathodengassystems (Oxidationsgassystem) zu berechnen.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; eine Gasversorgungsquelle eines Versorgungsgases; eine Versorgungsleitung, um das Versorgungsgas von der Gasversorgungsquelle der Brennstoffzelle zuzuführen; eine Umlaufleitung, um das von der Brennstoffzelle abgegebene Umlaufgas zur Versorgungsleitung zurückzuführen; und ein Verbindungsstück, an dem das Versorgungsgas auf das Umlaufgas trifft, wobei eine Durchflussrate des Umlaufgases unter Bezug auf die des Versorgungsgases unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme von Wasserdampf im Umlaufgas derart eingestellt ist, dass eine Temperatur eines Mischgases, gebildet durch das Mischen des Versorgungsgases und des Umlaufgases, höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode enthält, die Gasversorgungsquelle eine Gasversorgungsquelle eines Brennstoffsystems ist, und das Versorgungsgas und das Umlaufgas der Brennstoffelektrode zugeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchflussrate des Umlaufgases unter Bezug auf die des Versorgungsgases durch eine Berechnung der Wärmebilanz am Verbindungsstück unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur ein Kristallisationspunkt von Wasser bei einem Druck des Mischgases oder höher ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Temperatur 0°C ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein unterer Grenzwert der Durchflussrate des Umlaufgases unter Bezug auf die des Versorgungsgases unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner aufweist: eine Umlaufvorrichtung, die aufgebaut ist, um die Durchflussrate des Umlaufgases, das zum Verbindungsstück gespeist werden soll, zu steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die Umlaufvorrichtung die Durchflussrate des Umlaufgases unter Bezug auf die des Versorgungsgases basierend auf mindestens einem von einer Temperatur des Versorgungsgases, einem Druck des Umlaufgases und einer Außenlufttemperatur variiert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Brennstoffzelle einen Gaseinlass und einen Gasauslass enthält, die Versorgungsleitung sich von der Gasversorgungsquelle zu dem Gaseinlass erstreckt, und die Umlaufleitung sich vom Gasauslass zum Verbindungsstück erstreckt.
Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate in einem Brennstoffzellensystem, in dem ein von einer Brennstoffzelle abgegebenes Umlaufgas auf ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Versorgungsgas aus einer Gasversorgungsquelle trifft, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Berechnen der Wärmebilanz an einem Verbindungsstück von Umlaufgas und Versorgungsgas unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme von Wasserdampf im Umlaufgas; und Einstellen einer Durchflussrate des Umlaufgases unter Bezug auf die des Versorgungsgases basierend auf dem Berechnungsergebnis, so dass eine Temperatur eines Mischgases, gebildet durch das Mischen des Versorgungsgases und des Umlaufgases, höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate des Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Brennstoffzelle eine Luftelektrode und eine Brennstoffelektrode enthält, die Gasversorgungsquelle eine Gasversorgungsquelle eines Brennstoffsystems ist, und das Versorgungsgas und das Umlaufgas der Brennstoffelektrode zugeführt werden.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Hochdrucktank; ein Verbindungsstück, an dem ein Brennstoffgas, das vom Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf ein Brennstoffgas trifft, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll; und eine Steuervorrichtung, die ein Verhältnis einer Durchflussrate des Brennstoffgases, das vom Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, unter Bezug auf die des Brennstoffgases, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll, ändert und einstellt, wenn ein Wassergehalt am Verbindungsstück gefriert oder wenn das Gefrieren absehbar ist, wobei das Verhältnis unter Berücksichtigung der latenten Kondensationswärme von Wasserdampf im Brennstoffgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll, eingestellt wird, so dass eine Temperatur eines Mischgases, gebildet durch das Mischen des Brennstoffgases, das vom Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und des Brennstoffgases, das von der Brennstoffzelle abgegeben werden soll, höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis basierend auf einer Last der Brennstoffzelle und einem Zustand des Brennstoffgases, das vom Hochdrucktank der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, festgelegt wird.