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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das bei einer Aktivierung
des Systems eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung
ausführt.
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Technischer Hintergrund
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Als
ein Brennstoffzellensystem, das als seine Energiequelle eine Brennstoffzelle
aufweist, die eine Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion
zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt, offenbart
z. B. die
japanische Patentschrift 2004-165058 eine
Technik zum Ausführen einer sogenannten Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung,
die, während sich das System nach der Aktivierung aufwärmt,
die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases
erhöht, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle gering ist, und beurteilt wird, dass dieser
Rückgang in der Ausgangsspannung durch einen Reststickstoff
in der Brennstoffzelle verursacht worden sein soll.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
Brennstoffzellensystemen, die eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung nach
einer Aktivierung des Systems ausführen, ist nach der Aktivierung
des Systems, kurz nach einem Umschalten auf einen Normalbetrieb
(normalen Leistungserzeugungsbetrieb) der Ist-Druck (der nachstehend
als „Ist-Druck" bezeichnet wird) im Vergleich zum Soll-Gaszuführdruck
für die Anode (der nachstehend als „Soll-Druck"
bezeichnet wird) hoch, so dass sogar selbst wenn eine hohe Konzentration
von Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) in der Anode vorliegt, eine
Druckreduktionsverarbeitung stattfindet, damit der Ist-Druck an
den Soll-Druck angepasst ist.
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Während
dieser Druckreduktionsverarbeitung wird dadurch eine Reduktion der
Brenngaskonzentration herbeigeführt, dass der Brennstoffzelle kein
neues Brenngas mehr zugeführt wird, das sich weiter stromabwärts
von dem Regler befindet, der den Gaszuführdruck der Anode
regelt, und ergänzend dazu wird eine Reduktion der Spannung
herbeigeführt, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird (Zellenspannung),
und es gibt Fälle, in denen dadurch ein reibungsloser Übergang
in den Normalbetrieb oder eine reguläre Beibehaltung desselben
behindert werden kann. Die vorliegende Erfindung zieht diese Umstände
in Betracht, und es ist die ihr zugrundeliegende Aufgabe, jede Reduktion
der durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung, die nach Ausführung
einer Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung nach einer
Systemaktivierung auftreten kann, zu unterdrücken.
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Um
die vorliegende Aufgabe zu lösen, handelt es sich bei der
vorliegenden Erfindung um ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine
Brennstoffzelle, ein Brennstoffzuführsystem zum Zuführen
eines Brenngases zu einer Anode in der Brennstoffzelle und eine
Regulierungseinrichtung, die in dem Brennstoffzuführsystem
angeordnet ist und die Menge des der Anode zugeführten
Gases einstellt, angeordnet sind, und bei dem bei einer Systemaktivierung
die Regulierungseinrichtung die Menge des neuen Brenngases, das
von einer Brennstoffzuführquelle der Anode bei einem Wert
zugeführt wird, der höher ist als die Zuführmenge
des neuen Brenngases, die in Reaktion auf den elektrischen Strom
eingestellt wird, der durch die Brennstoffzelle während
einer normalen Leistungserzeugung erzeugt wird, solange beibehält,
bis die Konzentration von Verunreinigungen in dem der Anode zugeführten
Gas einen bestimmten Wert unterschreitet.
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Wenn
das System aktiviert wird, findet bei dieser Konfiguration eine
Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung statt, bei der
der Anode bei einem höheren Druck als während
der normalen Leistungserzeugung ein Brenngas zugeführt
wird, und wird anschließend, kurz nach dem Umschalten auf
einen Normalbetrieb (normale Leistungserzeugung), selbst wenn eine
Druckreduktionsverarbeitung ausgeführt wird, um zu bewirken,
dass der Ist-Druck am Anodeneingang an den Soll-Druck angepasst
ist, die Konzentration von Verunreinigungen in dem Brenngaszuführsystem
einschließlich des Anodeninneren auf unter einen bestimmten
Wert gesenkt – in anderen Worten, wird die Brenngaskonzentration über
einen bestimmten Wert hinaus erhöht, so dass sogar in einem
Zustand, in dem die Menge des der Anode zugeführten Brenngases
infolge der Druckreduktionsverarbeitung sogar noch weiter reduziert
werden soll, jede Reduktion in der durch die Brennstoffzelle erzeugten
Spannung (Zellenspannung) unterdrückt wird. In Verbindung
mit der variablen Gaszuführvorrichtung, die den Zustand
des stromauf im Brennstoffzuführsystem befindlichen Gases
dem Sollwert anpasst und ein Gas in der stromabwärtigen
Richtung zuführt, und einer Steuerungsvorrichtung, die
eine Antriebssteuerung für die variable Gaszuführvorrichtung
abhängig von dem Sollwert ausführt, kann die der
Anode durch die variable Gaszuführvorrichtung zugeführte
Gasmenge in der Regulierungseinrichtung über die Menge
hinaus erhöht werden, die während einer normalen
Leistungserzeugung zugeführt wird.
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Die
variable Gaszuführvorrichtung kann der Anode ein Brenngas
bei einem Druck zuführen, der höher ist als während
einer normalen Leistungserzeugung, und den Gaszuführdruck
zur Anode auf einem höheren Wert halten als während
der normalen Leistungserzeugung, bis die Stickstoffkonzentration auf
unter einen bestimmten Wert reduziert ist.
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Die
Regulierungseinrichtung weist eine Zirkulationsleitung zum Vermischen
des Brennstoffabgases (bzw. Fuel-Off-Gas), das aus dem Abführkanal der
Brennstoffzellenanode ausgestoßen wird, mit einem neuen
Brenngas und zum erneuten Zuführen desselben zum Eingangskanal
der Anode sowie ein Sperrventil auf, das in der Zirkulationsleitung
angeordnet ist, das, wenn es sich öffnet, ein Brennstoffabgas
nach außerhalb des Systems abführt, und sie kann
die Menge des der Anode zugeführten Gases als Reaktion
auf das geöffnete Sperrventil noch weiter reduzieren. Wenn
das Sperrventil geöffnet ist und ein Teil des Brennstoffabgases
nach außerhalb des Systems ausgestoßen wird, wird
die Konzentration von Verunreinigungen in dem Gasgemisch aus dem neuen
Brenngas von der Brennstoffzuführquelle und dem der Anode
zugeführten Brennstoffabgas geringer – in anderen
Worten nimmt die Konzentration des Brenngases in dem Gasgemisch
zu, so dass, selbst wenn die Menge des der Anode zugeführten
Brenngases noch weiter reduziert wird, jede Reduktion in der durch
die Brennstoffzelle erzeugten Spannung unterdrückt wird
und die Einsparung an Brennstoff verbessert werden kann. Die variable
Gaszuführvorrichtung weist einen Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung
auf, die einen gasförmigen Brennstoff (Brenngas) einspritzt,
einen Düsenkörper, der die Zuführung des
gasförmigen Brennstoffes zur Einspritzöffnung lenkt,
und ein Ventil, das in Bezug auf die axiale Richtung des Düsenkörpers
beweglich gesichert ist, und die Einspritzöffnung kann,
indem das Ventil durch eine elektromagnetische Antriebskraft bei
einem bestimmten Ansteuerungszyklus angesteuert wird, geöffnet/geschlossen
werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann jede Reduktion in der
durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung, die auftreten kann, wenn
eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung bei einer
Systemaktivierung ausgeführt wird, unterdrückt
werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das den Steuerungsfluss der in 1 gezeigten
Einspritzdüse erläutern soll.
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3 ist
ein Beispiel für das Kennfeld, das in der Verarbeitung
bei Schritt S7 des in 2 gezeigten Flussdiagramms verwendet
wird.
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4 ist
ein Beispiel für das Kennfeld, das in der Verarbeitung
bei Schritt S9 des in 2 gezeigten Flussdiagramms verwendet
wird.
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5 ist
ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem
Soll-Druck der Brennstoffzellen-Eingangsseite und dem Ist-Druck,
wenn die in 1 gezeigte Einspritzdüse
gemäß dem in 2 gezeigten
Flussdiagramm gesteuert wird.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Diagramme
erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform
erfolgt eine Erläuterung der vorliegenden Erfindung, wobei
von einem Beispiel ausgegangen wird, das in einem fahrzeugeigenen
elektrischen Leistungserzeugungssystem in einem Fahrzeug (einer
beweglichen Karosserie) verwendet wird. Zunächst erfolgt
eine Erläuterung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinzuziehung
von 1. Wie in 1 gezeigt ist,
weist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10 auf, die
einen Zuführung eines gasförmigen Reaktionspartners
(eines Oxidationsgases und eines Brenngases) aufnimmt und eine Leistung
erzeugt, sowie ein Oxidationsgas-Leitungssystem (Brenngaszuführsystem) 2,
das eine Luft als Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 zuführt,
ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 3, das der Brennstoffzelle 10 ein
Wasserstoffgas zuführt, und eine Steuerungsvorrichtung 4 oder
dergleichen, die eine Gesamtsteuerung des gesamten Systems ausführt.
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In
der Brennstoffzelle 10 wird die elektrische Leistung, die
durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, die eine Stapelstruktur
aufweist, die aus der erforderlichen Anzahl der elektrischen Leistungserzeugungszellen,
denen der gasförmige Reaktionspartner zugeführt
wird, aufgebaut ist, einer PCU (Power Control Unit bzw. Leistungssteuerungseinheit) 11 zugeführt.
Die PCU 11 weist einen Inverter oder Gleichstromwandler
oder ähnliches auf, der zwischen der Brennstoffzelle 10 und
einem Fahrmotor 12 angeordnet ist. In der Brennstoffzelle 10 ist
zudem ein elektrischer Stromsensor 13 installiert, der
während der elektrischen Leistungserzeugung einen elektrischen Strom
erfasst.
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Das
Oxidationsgas-Leitungssystem 2 weist eine Luftzuführleitung 21 auf,
die ein Oxidationsgas (Luft), das durch eine Befeuchtungseinrichtung 20 befeuchtet
wird, der Brennstoffzelle 10 zuführt, und eine
Luftabführleitung 22, die das oxidierte Abgas, das
aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen wird, zur Befeuchtungseinrichtung 20 lenkt,
und eine Lüftungsleitung 23, die das oxidierte
Abgas aus der Befeuchtungseinrichtung 20 nach außen
lenkt. Die Luftzuführleitung 21 ist mit einem
Verdichter 21 verse hen, der ein Oxidationsgas in der Atmosphäre
auffängt und der Befeuchtungseinrichtung 20 durch Zwangszuführung
zuführt.
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Das
Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 weist als eine Brennstoffzuführquelle,
in der ein unter hohem Druck (z. B. 70 MPa) stehendes Wasserstoffgas gespeichert
ist, einen Wasserstofftank (eine Brennstoffzuführquelle) 30 auf,
eine Wasserstoffzuführleitung 31 als eine Brennstoffzuführleitung
zum Zuführen des Wasserstoffgases des Wasserstofftanks 30 zur
Brennstoffzelle 10 und eine Zirkulationsleitung 32 zum
Zurückführen des Wasserstoff-Abgases, das aus
der Brennstoffzelle 10 an die Wasserstoffzuführleitung 31 ausgestoßen
wird. Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 ist eine Ausführungsform
des Brennstoffzuführsystems gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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Außerdem
können anstelle des Wasserstofftanks 30 eine Reformierungseinrichtung,
die ein wasserstoffreiches, reformiertes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff
erzeugt, und ein Hochdruck-Gastank, der das reformierte Gas in einem Hochdruckzustand
speichert, als die Brennstoffzuführquelle genutzt werden.
Ferner kann auch ein Tank, der eine wasserstoffabsorbierende Legierung aufweist,
als die Brennstoffzuführquelle verwendet werden.
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Ein
Sperrventil 33, das die Zuführung eines Wasserstoffgases
aus dem Wasserstofftank sperrt oder freigibt, ein Regler 34,
der den Druck des Wasserstoffgases anpasst, und eine Einspritzdüse
(variable Gaszuführvorrichtung) 35 sind in der
Wasserstoffzuführleitung 31 angeordnet. Ein Primärdrucksensor 41 und
ein Temperatursensor 42, die den Druck und die Temperatur
des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführleitung 31 erfassen,
sind stromauf der Einspritzdüse 35 angeordnet.
Ferner ist stromabwärts der Einspritzdüse 35 ein
Sekundärdrucksensor 43, der den Druck des Wasserstoffgases
in der Wasserstoffzuführleitung 31 erfasst, stromauf
der Verbindungsstelle der Wasserstoffzuführleitung 31 und
der Zirkulationsleitung 32 angeordnet. Der Regler 34 ist
eine Vorrichtung, die den Druck (Primärdruck) auf den zuvor
eingestellten Sekundärdruck einstellt. In der vorliegenden
Ausführungsform wird ein mechanisches Druckreduktionsventil,
das den Primärdruck reduziert, als der Regler 34 verwendet.
Eine hinreichend bekannte Konfiguration, die so ausgebildet ist,
dass eine Gegendruck kammer und eine Druckanpassungskammer durch
eine Membran getrennt sind und der Gegendruck in der Gegendruckkammer
verwendet wird, um den Primärdruck auf einen bestimmten
Druck im Inneren der Druckanpassungskammer zu reduzieren, und dieser
Druck als der Sekundärdruck eingestellt wird, kann als
die Konfiguration des mechanischen Druckreduktionsventils verwendet
werden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform, die in 1 gezeigt
ist, kann der Druck stromauf der Einspritzdüse 35 wirksam
reduziert werden, indem zwei Regler 34 stromauf der Einspritzdüse 35 angeordnet werden.
Folglich kann der Grad der Entwurfsfreiheit in Bezug auf die mechanische
Struktur der Einspritzdüse 35 (Ventile, Gehäuse,
Leitungen, Antriebsvorrichtungen etc.) erhöht werden.
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Da
der Druck stromauf der Einspritzdüse 35 reduziert
werden kann, kann ferner eine erschwerte Bewegung des Ventils in
der Einspritzdüse 35, die durch einen Anstieg
der Druckdifferenz zwischen dem Druck stromauf und stromabwärts
der Einspritzdüse 35 bewirkt wird, unterdrückt
werden. Dementsprechend kann das Ausmaß, mit dem der Druck stromabwärts
der Einspritzdüse 35 angepasst werden kann, erhöht
werden, während jede Reduktion im Ansprechverhalten der
Einspritzdüse 35 unterdrückt werden kann.
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Die
Einspritzdüse 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes
Sperrventil, das den Gaszustand der Gasströmung oder des
Gasdrucks etc. anpassen kann, indem das Ventil mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft bei einem bestimmten Antriebszyklus direkt angetrieben
wird und zwischen dasselbe und den Ventilsitz ein Abstand eingerichtet
wird. Zusammen mit einem Ventilsitz, der eine Einspritzöffnung
aufweist, die einen gasförmigen Brennstoff, wie z. B. ein
Wasserstoffgas oder dergleichen, einspritzt, ist die Einspritzdüse 35 mit
einem Düsenkörper, der die Zuführung
des gasförmigen Brennstoffs zur Einspritzöffnung
lenkt, und einem Ventil versehen, das in Bezug auf die axiale Richtung
(Gasströmungsrichtung) des Düsenkörpers,
der die Einspritzöffnung öffnet/schließt,
beweglich gesichert ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird das Ventil der Einspritzdüse 35 durch
eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung mit einer Magnetspule angetrieben,
und infolge des Ein-/Aus-Zustands des gepulsten Erregerstroms, der
dieser Magnetspule zugeführt wird, kann der Öffnungsbereich
der Einspritzöffnung auf einen Zweistufen-, Mehrstufen-, kontinuierlichen
(stufenlosen) oder linearen Betrieb [Modus] umgeschaltet werden.
Durch Steuern der Gaseinspritzdauer und des Gaseinspritzsteuerungszeitpunkts
kann ferner der Durchsatz und Druck des Wasserstoffgases mit hoher
Genauigkeit gesteuert werden.
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Wie
vorstehend erläutert wurde, verwendet die Einspritzdüse 35 eine
elektromagnetische Antriebskraft, um die Öffnung und Schließung
des Ventils (Ventil und Ventilsitz) direkt anzusteuern, weil der Ansteuerungszyklus
so gesteuert werden kann, dass er innerhalb eines hoch ansprechenden
Bereichs eingestellt ist. Zusammen mit der Gasströmung,
die abhängig von der Öffnung oder Schließung
des Ventils in der Einspritzdüse 35 angepasst
wird, wird der stromabwärts der Einspritzdüse 35 zugeführte
Gasdruck auf unterhalb des Gasdrucks stromauf der Einspritzdüse 35 reduziert,
so dass die Einspritzdüse 35 auch als ein Regler
(Druckreduktionsventil, Regler) verstanden werden kann. Ferner kann
sie in der vorliegenden Ausführungsform auch als ein variabler Regler
aufgefasst werden, der den durch Druck angepassten Betrag (druckreduzierter
Betrag) des Gasdrucks stromauf der Einspritzdüse 35 ändern
kann, so dass sich der erforderliche Druck abhängig von der
Gasanforderung in Übereinstimmung mit einem bestimmten
Druckbereich befindet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform, die in 1 gezeigt
ist, ist die Einspritzdüse 35 ferner stromauf
der Verbindungsstelle A1 der Wasserstoffzuführleitung 31 und
der Zirkulationsleitung 32 angeordnet. Wie durch eine gestrichelte
Linie in 1 gezeigt ist, ist ferner, wenn
mehrere Wasserstofftanks 30 als die Brennstoffzuführquelle
verwendet werden, eine Einspritzdüse 35 so angeordnet,
dass sie stromabwärts des Abschnitts (Wasserstoffgasverbindungsstelle
A2) liegt, wo das Wasserstoffgas, das von einem jeweiligen Wasserstofftank 30 zugeführt wird,
zusammengeführt wird.
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Eine
Abführleitung 38 ist mit der Zirkulationsleitung 32 über
einen Gas-Flüssigkeits-Separator 36 und ein Gas-/Flüssigkeits-Abführventil 37 verbunden. Der
Gas-Flüssigkeits-Separator 36 gewinnt die Feuchtigkeit
aus dem Wasserstoffabgas wieder. Das Gas-/Flüssigkeitsabführventil 37,
das entsprechend den Anweisungen von der Steuerungsvorrichtung 4 arbeitet,
führt (spült) das Wasserstoffabgas einschließlich
der Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) in der Zirkulationsleitung 32 und
der am Gas-Flüssigkeits-Separator 36 wieder gewonnenen
Feuchtigkeit nach außen ab.
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Ferner
ist die Zirkulationsleitung mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen,
die den Druck des Wasserstoff-Abgases in der Zirkulationsleitung 32 erhöht
und dieses zur Wasserstoffzuführleitung 31 sendet.
Das Gas in der Abführleitung 38 wird durch eine Verdünnungseinrichtung 40 verdünnt
und mit dem Gas in der Lüftungsleitung 23 zusammengeführt.
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Die
Steuerungsvorrichtung 4 erfasst, wie oft eine Beschleunigungsbetätigungsvorrichtung
(Fahrpedal oder ähnliches), die das Fahrzeug aufweist, betätigt
wird, empfängt Steuerungsinformationen, wie z. B. den Beschleunigungsanforderungswert
(z. B. den Leistungserzeugungsbetrag, der durch die Lastvorrichtung
des Fahrmotors 12 oder ähnliches angefordert wird),
und steuert das Verhalten von verschiedenen Teilen der Ausrüstung
im System.
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Die
Steuerungsvorrichtung 4 besteht aus einem Computersystem,
das in den Diagrammen nicht gezeigt ist. Dieses Computersystem weist
eine CPU, einen ROM, einen RAM, einen HDD, eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle
und eine Anzeige etc. auf und realisiert verschiedene Arten einer
Steuerung durch die CPU, die verschiedene Arten von in dem ROM aufgezeichneten
Steuerungsprogrammen liest und ausführt. 2 ist
der Steuerungsfluss, der herangezogen wird, wenn das System aktiviert
wird; insbesondere der Steuerungsfluss, der für die Einspritzdüse 35 von
der Aktivierung des Systems bis zum Umschalten auf eine normale
Leistungserzeugung (Normalbetrieb) implementiert wird, wie z. B.
wenn die Steuerungsvorrichtung 4 ein durch einen Benutzer
initiiertes Zündung-ein-Signal erfasst und eine Zuführung
des gasförmigen Reaktionspartners zur Brennstoffzelle 10 startet.
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Ferner
handelt es sich bei 3 um ein Kennfeld, das die Beziehung
zwischen dem durch die Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen
Strom (der nachstehend als ein „elektrischer Brennstoffzellenstrom"
bezeichnet wird) und dem eingangsseitigen Soll-Druck der Brennstoffzelle 10 (der
nachstehend als der „Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck"
bezeichnet wird) darstellt, das in der Verarbeitung bei Schritt
S7 in 2 verwendet wird, während es sich bei 4 um
ein Kennfeld handelt, das die Beziehung zwischen dem elektrischen
Strom der Brennstoffzelle und der Grund-Einspritzdauer (F/F-Term) der
Einspritzdüse 35 darstellt, das in der Verarbeitung
in Schritt S9 in 2 verwendet wird.
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In
dem Flussdiagramm von 2 wird zunächst die
anfängliche Einstellung für den Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck
eingerichtet (Schritt S1). Dann wird der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck bei
diesem anfänglichen Einstellungswert beibehalten, bis die
Konzentration der Verunreinigungen in dem der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gas
auf unter einen bestimmten Wert abfällt (Schritt S3: NEIN).
Dieser anfängliche Einstellungswert wird auf einen bestimmten
Wert P2 eingestellt, der höher ist als der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck (Brenngas-Zuführmenge),
der als Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom während
der normalen Leistungserzeugung eingestellt wird, in anderen Worten
der Druck P1 in 3.
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Bei
einer Systemaktivierung in der vorliegenden Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist, wird infolgedessen der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck,
der in dem selben Diagramm gezeigt ist (die Menge des neuen Wasserstoffgases, das
der Anode in der Brennstoffzelle 10 aus dem Wasserstofftank 30 zugeführt
wird), bei einem Wert beibehalten, der höher ist als der
Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck, der als Reaktion auf den elektrischen
Brennstoffzellenstrom während der normalen Leistungserzeugung
eingestellt wird, bis die Konzentration der Verunreinigungen in
dem der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführten
Gas auf unter den bestimmten Wert abfällt, der in dem selben
Diagramm mit einer Strichpunktlinie angezeigt ist.
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Wie
mit einer durchgehenden Linie in dem selben Diagramm gezeigt ist,
wird dementsprechend der Ist-Druck an der Eingangsseite der Anode
der Brennstoffzelle 10 bei einem Wert beibehalten, der höher
ist als während einer normalen Leistungserzeugung, bis
die Konzentration der Verunreinigungen in dem Gas, das der Anode
in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, auf
unter den bestimmten Wert abfällt, der in dem selben Diagramm
mit einer Strichpunktlinie angezeigt ist, und die Menge des Gases, die
der Anode der Brennstoffzelle 10 durch die Einspritzdüse 35 zugeführt
wird, wird mehr erhöht als während der normalen
Leistungserzeugung.
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Ferner
findet die Beurteilung in Schritt S3 basierend auf dem Ergebnis
einer Erfassung durch den Stickstoffsensor oder ähnliches
statt, doch ist diese nicht darauf beschränkt, und die
Wasserstoffkonzentration des der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten
Gases kann direkt durch einen Wasserstoffsensor erfasst werden,
und die Konzentration der Verunreinigungen, die auf unter den bestimmten Wert
abgefallen sind, können basierend auf dem Ergebnis dieser
Erfassung beurteilt werden.
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Wenn
die Konzentration von Verunreinigungen in dem Gas, das der Anode
in der Brennstoffzelle 10 zugeführt worden ist,
auf unter den bestimmten Wert abgefallen ist (Schritt S3: JA), wird
der elektrische Brennstoffzellenstrom durch den elektrischen Stromsensor 13 erfasst
(Schritt S5), dann wird unter Verwendung von beispielsweise dem
in 3 gezeigten Kennfeld – in anderen Worten
dem Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom,
der in Schritt S5 erfasst wurde, und dem Eingangs-Soll-Druck, der
als Reaktion auf die für die Brennstoffzelle 10 angeforderte
Leistungsabgabe eingestellt wird – der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck
anhand des in Schritt S5 erfassten elektrischen Brennstoffzellenstroms
ermittelt (Schritt S7).
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Dadurch
dass mehrere Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck-Kennfelder als
Reaktion auf die Konzentration von Verunreinigungen in der Anode
in der Brennstoffzelle 10 als die Kennfelder (das Kennfeld)
mit der Beziehung zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom
und dem Eingangs-Soll-Druck, das in 3 gezeigt
ist, vorliegen, kann bei Schritt S7 der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck
als Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom und die
Konzentration der Verunreinigungen in der Anode festgelegt werden.
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Unter
Verwendung von beispielsweise dem in 4 gezeigten
Kennfeld – in anderen Worten dem Kennfeld, das die Beziehung
zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom und dem Vorwärtskopplungsterm
(der nachstehend als „F/F-Term" bezeichnet wird) darstellt,
bei dem es sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt
-ermittelt die Steuerungsvorrichtung 4 anschließend
den F/F-Term, bei dem es sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt, anhand
des elektrischen Brennstoffzellenstroms, der in Schritt S5 erfasst
wurde (Schritt S9). Dann ermittelt die Steuerungsvorrichtung 4 die
Variation zwischen dem Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck, der
bei Schritt S7 ermittelt wurde, und dem aktuellen Druck der Brennstoffzelle 10,
der durch den sekundärseitigen Drucksensor 43 erfasst
wird (Schritt S11), und ermittelt als einen Korrekturwert zum Korrigieren
(Reduzieren) der Eingangsdruckvariation der Brennstoffzelle den
Rückführungsterm der Einspritzdauer der Einspritzdüse
(der nachstehend als F/B-Term bezeichnet wird) (Schritt S13).
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Indem
der in Schritt S13 ermittelte F/B-Term dem F/F-Term, bei dem es
sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt,
der in Schritt S9 zusammen mit einem eventuell erforderlichen weiteren
Korrekturwert ermittelt wurde, hinzuaddiert wird, ermittelt die
Steuerungsvorrichtung 4 anschließend die Einspritzdauer
(Einspritzmenge) der Einspritzdüse 35 (Schritt
S15).
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Dann
steuert die Steuerungsvorrichtung 4 die Einspritzdauer
und den Einspritzsteuerzeitpunkt, indem ein Steuerungssignal zum
Realisieren der relevanten Einspritzdauer 35 an die Einspritzdüse 35 gesendet
wird, und passt die Strömung und den Druck des Wasserstoffgases
an, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Anschließend wird die Verarbeitung in den Schritten S5–S15
in einem festgelegten Zyklus wiederholt.
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Wie
vorstehend erläutert wurde, findet bei der Systemaktivierung
in dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform
eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung statt, bei
der der Anode der Brennstoffzelle 10 bei einem höheren
Druck als während des Normalbetriebs (der normalen Leistungserzeugung)
ein Wasserstoffgas zugeführt wird, und wird anschließend,
kurz nach einem Umschalten auf einen Normalbetrieb, selbst wenn
eine Druckreduktionsverarbeitung ausgeführt wird, um zu
bewirken, dass der Brennstoffzellen-Eingangs-Ist-Druck auf der Anodeneingangsseite
mit dem Brennstoffzellen-Eingangs-Soll-Druck übereinstimmt,
die Konzentration von Verunreinigungen in dem Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 einschließlich des
Anodeninneren auf unter einen bestimmten Wert gesenkt – in
anderen Worten, wird die Wasserstoffgaskonzentration auf über
einen bestimmten Wert hinaus erhöht, so dass selbst in
einem Zustand, wo die Menge des der Anode zugeführten Wasserstoffgases gemäß der
Druckreduktionsverarbeitung sogar noch weiter reduziert werden soll,
jede Reduktion in der Spannung, die durch die Brennstoffzelle während des
Normalbetrieb erzeugt wird (Zellenspannung), unterdrückt
werden kann.
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Die
vorstehende Ausführungsform ist ein Beispiel, das die vorliegende
Ausführungsform erläutern soll, und die vorliegende
Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt;
verschiedenen Bauteile können in geeigneter Weise konstruiert
werden, solange sie nicht vom wesentlichen Inhalt der vorliegenden
Erfindung abweichen. Wenn das Gas-/Flüssigkeits-Abführventil 37 beispielsweise
geöffnet wird, kann die Steuerungsvorrichtung als Reaktion
darauf den Öffnungs-/Schließungsbetrieb der Einspritzdüse 35 steuern,
so dass bewirkt wird, das die Gasmenge, die der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt
wird, noch weiter als bisher reduziert wird.
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Wenn
das Gas-/Flüssigkeitsabführventil 37 sich öffnet
und ein Teil des Wasserstoffabgases nach außerhalb des
Systems ausgestoßen wird, wird in anderen Worten die Konzentration
der Verunreinigungen in dem Gasgemisch aus dem neuen Brenngas aus
dem Wasserstofftank 30 und dem Wasserstoffabgas, das der
Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, geringer – in
anderen Worten nimmt die Konzentration des Wasserstoffgases in dem
Gasgemisch zu, so dass selbst wenn die Menge des der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten
Gases noch weiter als doe bisher zugeführte Gasmenge reduziert wird,
kann jede Reduktion der erzeugten Spannung unterdrückt
werden.
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Wenn
dementsprechend die vorstehende Ausführungsform so konfiguriert
ist, dass sie als Reaktion auf das Öffnen des Gas-/Flüssigkeitsventils 37 die
der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gasmenge
noch weiter reduziert, kann jede Reduktion der erzeugten Spannung
der Brennstoffzelle 10 während eines Normalbetriebs
unterdrückt und die Brennstoffersparnis verbessert werden.
Obgleich mit der vorstehenden Ausführungsform ein Beispiel
angeführt wurde, bei dem ein Brennstoffzellenfahrzeug mit
dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet war, können außer Brennstoffzellenfahrzeugen
verschiedene andere bewegliche Objekte (Roboter, Schiffe, Flugzeuge)
mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Ausführungsform ausgestattet werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung auch in einem
stationären Leistungserzeugungssystem verwendet werden,
das als Leistungserzeugungsausrüstung in Gebäuden
(Häusern, Bürogebäuden etc.) eingesetzt
wird.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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In
der vorliegenden Ausführungsform wird nach der anfänglichen
Einstellung des Brennstoffzelleneingangs-Solldrucks (Schritt S1)
der Brennstoffzelleneingangs-Solldruck bei diesem anfänglichen Einstellungswert
beibehalten, bis die Konzentration von Verunreinigungen in dem der
Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gas
auf unter einen bestimmten Wert abfällt (Schritt S3: NEIN).
Dieser anfängliche Einstellungswert wird auf einen Druck eingestellt,
der höher ist als der Brennstoffzelleneingangs-Solldruck,
der in Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom während
einer normalen Leistungserzeugung eingestellt wird. Wenn die Konzentration
von Verunreinigungen in dem Gas, das der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird,
auf unter den bestimmten Wert abgefallen ist (Schritt S3: JA), dann
wird der Brennstoffzelleneingangs-Solldruck unter Verwendung eines
Kennfelds ermittelt, das die Beziehung zwischen dem elektrischen
Brennstoffzellenstrom, der in Schritt S5 erfasst wird, und dem Eingangssolldruck
darstellt, der in Reaktion auf die für die Brennstoffzelle 10 erforderliche Leistungsabgabe
eingestellt wird (Schritt S7).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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