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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein
Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags für das System.
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Stand der Technik
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Vordem
wurde ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und in der Praxis
eingesetzt, das eine Brennstoffzelle einschließt, die zum
Erzeugen eines Stroms die Zufuhr eines reaktiven Gases (eines Brenngases
und eines oxidierenden Gases) erhält. In der Brennstoffzelle
eines solchen Brennstoffzellensystems und in einem Zirkulationskanal
für das Brennabgas sammeln sich im Lauf der Zeit ein während
der Stromerzeugung erzeugtes Verunreinigungsgas wie Stickstoff oder
Kohlenmonoxid und Gehalt an Wasser an. Um ein solches Gas und einen solchen
Gehalt an Wasser aus dem System auszutragen, wird eine Technologie
(eine Reinigungstechnologie) vorgeschlagen, bei der der Zirkulationskanal (oder
ein mit diesem Zirkulationskanal verbundener Austragkanal) mit einem
Gasaustragventil und einem Wasseraustragventil versehen ist und
diese Gas- und Wasseraustragventile hinsichtlich ihres Öffnens und
Schließens gesteuert, wodurch das angesammelte Gas und
der angesammelte Gehalt an Wasser nach jeweils einem vorgegebenen
Zeitraum ausgetragen werden.
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Derzeit
wird zudem eine Technologie vorgeschlagen, bei der ein Reinigungsventil
zum Durchführen des Gas-/Wasseraustrags hinsichtlich des Öffnens
und Schließens bei niedrigen Temperaturen gesteuert wird,
wodurch die Startleistung des Brennstoffzellensystems bei niedrigen
Temperaturen verbessert wird. Es wird zum Beispiel eine Technologie vorgeschlagen,
bei der bei niedrigen Temperaturen ein Zündschalter eingeschaltet
wird und dann das Reinigungsventil einmalig geöffnet wird,
um den Reinigungsvorgang durchzuführen. Anschließend
wird der Reinigungsvorgang in einem Prozess der Temperaturerhöhung
solange unterbunden, bis die Brennstoffzelle aufge wärmt
ist, wodurch ein Temperaturabfall der Brennstoffzelle infolge der
Zufuhr eines neues Wasserstoffgases unterdrückt wird (siehe
die offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr.
2004-178901 ).
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Offenbarung der Erfindung
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In
einem Fall, bei dem die in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung
Nr.
2004-178901 beschriebene
Technologie verwendet wird, wird jedoch ein Zündschalter
eingeschaltet und dann einmalig ein Reinigen durchgeführt,
so dass ein Gehalt an Wasser in ein Reinigungsventil strömt,
dessen Temperatur bei niedrigen Temperaturen verringert ist, und
der in dieses Ventil geströmte Gehalt an Wasser einfrieren
könnte. In einem Fall, bei dem der in das Reinigungsventil
geströmte Gehalt an Wasser auf diese Weise einfriert, wird
angenommen, dass sich das Reinigungsventil schließt und
es schwierig wird, den anschließenden Reinigungsvorgang
durchzuführen.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine solche Situation
entwickelt und eine Aufgabe derselben ist, das Einfrieren eines
Wasseraustragventils bei niedrigen Temperaturen in einem mit dem Wasseraustragventil
ausgestatteten Brennstoffzellensystem zu unterbinden.
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Um
das Ziel zu erreichen umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung: eine Brennstoffzelle; einen Wasseraustragkanal,
durch den ein aus dieser Brennstoffzelle ausgetragener Gehalt an
Wasser strömt; und ein Wasseraustragventil, das den Gehalt
an Wasser in diesen Wasseraustragkanal aus dem System austrägt,
wobei das Brennstoffzellensystem weiter umfasst: Mittel zur Steuerung
des Wasseraustrags zum Steuern des Wasseraustragventils, um so das
Austragen des Wassers aus dem Wasseraustragventil von einem Zeitpunkt,
an dem das Starten des Systems angefordert wird, bis zu einem Zeitpunkt,
an dem die Temperatur des Systems eine vorgegebene Temperatur erreicht,
in einem Fall, bei dem das Starten des Systems unter Bedingungen
angefordert wird, bei denen eine Außenlufttemperatur unterhalb
eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt, zu verhindern.
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Des
Weiteren ist ein Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags gemäß der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags
eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle, einen Wasseraustragkanal,
durch den ein aus dieser Brennstoffzelle ausgetragener Gehalt an
Wasser strömt, und ein Wasseraustragventil, das den Gehalt
an Wasser in diesen Wasseraustragkanal aus dem System austrägt,
einschließt, wobei das Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags
umfasst: einen ersten Schritt des Beurteilens, ob das Starten des
Systems angefordert wurde oder nicht; einen zweiten Schritt des
Beurteilens, ob eine Außenlufttemperatur unterhalb eines
festgelegten Schwellenwerts liegt oder nicht; und einen dritten Schritt
des Verhinderns des Wasseraustrags aus dem Wasseraustragventil von
einem Zeitpunkt, an dem das Starten des Systems angefordert wird,
bis zu einem Zeitpunkt, an dem die Temperatur des Systems eine festgelegte
Temperatur erreicht, in einem Fall, bei dem in dem ersten Schritt
beurteilt wurde, dass das Startens des Systems angefordert wurde, und
in dem zweiten Schritt beurteilt wurde, dass die Außenlufttemperatur
unterhalb eines festgelegten Schwellenwerts liegt.
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In
einem Fall, bei dem eine solche Anordnung und ein solches Verfahren
verwendet werden, kann ein Strömen des Gehalts an Wasser
in dem Austragkanal in das Wasseraustragventil von dem Zeitpunkt,
an dem das Starten des Systems unter Bedingungen (z. B. bei niedrigen
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts) angefordert wird, bei
denen die Außenlufttemperatur unterhalb des festgelegten Schwellenwerts
liegt, bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Temperatur des Systems die
vorgegebene Temperatur erreicht, verhindert werden. Daher kann selbst
bei niedrigen Temperaturen ein Einfrieren des Wasseraustragventils
(und das Schließen des Wasseraustragungsventils aufgrund
des Einfrierens) verhindert werden. Hier bezeichnet die „Anforderung nach
dem Starten des Systems” Informationen (z. B. das EIN-Signal
eines Zündschalters) zum Starten des Brennstoffzellensystems
mit einem Zustand des Betriebsstopps. Ferner bezeichnet die „Temperatur des
Systems” die mittlere Temperatur des gesamten Brennstoffzellensystems
oder die Temperatur (z. B. die Temperatur in dem Wasseraustragungskanal)
einer bestimmten Anordnung in dem Brennstoffzellensystem.
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In
dem Brennstoffzellensystem kann das Mittel zur Steuerung des Wasseraustrags
verwendet werden, das das Wasseraustragventil so steuert, dass das
Austragen von Wasser aus dem Wasseraustragventil in einem Fall zugelassen
wird, bei dem die Wärmemenge des in dem Wasseraustragventil aufgenommenen
Wassers eine festgelegte Wärmemenge übersteigt.
Als die „festgelegte Wärmemenge” kann
ferner eine null Grad zu durchbrechende Wärmemenge verwendet
werden (die Wärmemenge, die dafür erforderlich
ist, dass das Wasseraustragventil und der Wasseraustragkanal unter
Bedingungen, bei denen die Außenlufttemperatur null Grad Celsius
oder weniger beträgt, null Grad Celsius überschreiten).
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In
einem Fall, bei dem eine solche Anordnung verwendet wird, überschreitet
die Wärmemenge des aufgenommenen Wassers die festgelegte Wärmemenge
selbst dann, wenn das Wasser in dem Wasseraustragventil aufgenommen
wird, und das Austragen von Wasser aus dem Wasseraustragventil kann
dann zugelassen werden. Eine Lösung des Problems, dass
Wasser in dem Wasseraustragventil oder dem Wasseraustragkanal einfriert
und dass das Austragen von Wasser gestoppt wird, ist daher möglich
(z. B. wird in einem Fall, bei dem ein Gas-/Wasseraustragventil
zum gleichzeitigen Durchführen des Austragens von Gas und
Wasser verwendet wird, jegliche Substanz, die nicht zur Stromerzeugung
beiträgt, zum Beispiel Stickstoff, nicht aus dem Wasseraustragkanal
oder dergleichen ausgetragen).
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Des
Weiteren kann das Gas-/Wasseraustragventil, das sowohl das Austragen
von Wasser als auch das Austragen von Gas durchführt, in
dem Brennstoffzellensystem als Wasseraustragventil verwendet werden.
In einem solchen Fall kann das System mit Mitteln zur Steuerung
der Brennstoffzufuhr zum Einstellen der Menge eines der Brennstoffzelle zuzuführenden
und/oder durch diese zu zirkulierenden Brenngases auf eine Menge,
die größer als eine festgelegte Menge ist, während
das Austragen von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil durch das
Mittel zur Steuerung des Wasseraustrags verhindert wird, ausgestattet
sein.
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Während
das Austragen von Gas oder Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil
verhindert wird, kann die Menge des der Brennstoffzelle zuzuführenden
und/oder durch diese zu zirkulierenden Brenngases in einem Fall,
in dem eine solche Anordnung verwendet wird, auf die Menge eingestellt
werden, die größer als die festgelegte Menge ist
(z. B. die Menge des während eines gewöhnlichen
Startens zuzuführenden und/oder zu zirkulierenden Brenngases,
wenn das Austragen von Gas oder Wasser nicht verhindert wird). Daher
kann ein Absinken der Konzentration eines der Brennstoffzelle zuzuführenden
Brennstoffs infolge des Verhinderns des Gas- und Wasseraustrags
vermieden werden.
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Das
Brennstoffzellensystem kann daneben weiter einen Zuführkanal,
der das aus einer Quelle für die Brennstoffzufuhr zugeführte
Brenngas der Brennstoffzelle zuführt, und eine Einrichtung
für eine variable Gaszufuhr umfassen, die einen Gaszustand an
der stromaufwärtigen Seite des Zuführkanals einstellt,
um das Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen.
In einem solchen Fall kann das Mittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr
zum Steuern der Einrichtung für eine variable Gaszufuhr
so verwendet werden, dass die Menge des der Brennstoffzelle zuzuführenden
Brenngases auf die Menge eingestellt wird, die größer
als die festgelegte zuzuführende Menge ist, während
das Austragen von Wasser aus dem Wasseraustragventil durch das Mittel
zur Steuerung des Wasseraustrags verhindert wird.
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Während
das Austragen von Gas oder Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil
verhindert wird, kann die Einrichtung für eine variable
Gaszufuhr in einem Fall, bei dem eine solche Anordnung verwendet
wird, so gesteuert werden, dass die Menge des der Brennstoffzelle
zuzuführenden Brenngases auf die Menge eingestellt wird,
die größer als die festgelegte zuzuführende
Menge ist (z. B. die während des gewöhnlichen
Startens zuzuführende Menge, wenn das Austragen von Gas
oder Wasser nicht verhindert wird). Es muss beachtet werden, dass
der „Gaszustand” ein durch eine Strömungsgeschwindigkeit,
einen Druck, eine Temperatur, eine molekulare Konzentration oder
dergleichen wiedergegebener Gaszustand ist und besonders wenigstens
die Strömungsgeschwindigkeit des Gases oder den Gasdruck
einschließt. Als Einrichtung für eine variable Gaszufuhr
kann zum Beispiel ein Einspritzventil verwendet werden.
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Des
Weiteren kann das Brennstoffzellensystem weiter einen Zuführkanal,
der das aus einer Quelle für die Brennstoffzufuhr zugeführte
Brenngas der Brennstoffzelle zuführt, einen Zirkulationskanal, der
dem Wasseraustragungskanal entspricht und ein aus der Brennstoffzelle
ausgetragenes Brennabgas durch den Zuführkanal zirkuliert,
und eine Zirkulationspumpe, die das Gas in dem Zirkulationskanal
heftig durch den Zuführkanal zirkuliert, umfassen. In einem
solchen Fall können Mittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr
zum Einstellen der Menge des durch die Brennstoffzelle zu zirkulierenden
Brenngases auf eine Menge, die größer als eine
festgelegte zu zirkulierende Menge ist, während das Austragen von
Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil durch das Mittel zur Steuerung
der Wasseraustragung verhindert wird, verwendet werden.
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Während
das Austragen von Gas oder Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil
verhindert wird, kann die Zirkulationspumpe gemäß einer
solchen Anordnung so gesteuert werden, dass die Menge des durch
die Brennstoffzelle zu zirkulierenden Brenngases auf die Menge eingestellt
wird, die größer als die festgelegte zu zirkulierende
Menge ist (z. B. die während des gewöhnlichen
Startens zu zirkulierende Menge, wenn das Austragen von Gas oder Wasser
nicht verhindert wird).
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es in dem mit dem Wasseraustragventil
ausgestatteten Brennstoffzellensystem möglich, das Einfrieren
des Wasseraustragventils oder des Wasseraustragkanals bei niedrigen
Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts oder dergleichen zu verhindern.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
ein Anordnungsschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Blockdiagramm der Steuerung, das die Anordnung der Steuerung
eines Steuerabschnitts in dem in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystem zeigt;
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der Reinigung
(ein Verfahren zur Steuerung der Wasseraustragung gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung) während des Startens des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems zeigt; und
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4 ist
ein Anordnungsschema, das eine Modifikation des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems zeigt.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren wird im Folgenden ein Brennstoffzellensystem 1 in
einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung
auf ein an einem Fahrzeug befestigtes Stromerzeugungssystem eines
Fahrzeugs mit einer Brennstoffzelle angewendet wird.
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Zunächst
wird die Anordnung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf 1 beschrieben. Wie in 1 gezeigt,
schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 2,
die zum Erzeugen von Strom die Zufuhr eines reaktiven Gases (eines
oxidierenden Gases und eines Brenngases) aufnimmt; ein Rohrsystem 3 für
das oxidierende Gas, das der Brennstoffzelle 2 Luft als
oxidierendes Gas zuführt; ein Rohrsystem 4 für
das Brenngas, das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas
als Brenngas zuführt; ein Rohrsystem für das Kühlmittel 5,
das der Brennstoffzelle 2 ein Kühlmittel zum Kühlen
der Brennstoffzelle 2 zuführt; ein Stromversorgungssystem 6,
das dem System Strom zuführt oder Strom aus dem System
austrägt; und einen Steuerabschnitt 7, der allgemein
das gesamte System steuert, ein.
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Die
Brennstoffzelle 2 weist eine Stapelstruktur auf, die zum
Beispiel aus einem Festpolymerelektrolyttyp aufgebaut ist und in
der viele Einheitszellen laminiert sind. An einer Oberfläche
eines aus einer Ionenaustauscherfolie bestehenden Elektrolyten weist
die Einheitszelle der Brennstoffzelle 2 eine Luftelektrode,
an der anderen Oberfläche eine Brennstoffelektrode und
ferner ein Paar Separatoren auf, um die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode
an entgegengesetzten Seiten zu halten. Das Brenngas wird dem Brenngaskanal
eines Separators zugeführt und das oxidierende Gas wird
dem Kanal für das oxidierende Gas des anderen Separators
zugeführt. Diese Gase werden zugeführt, wodurch
die Brennstoffzelle 2 Strom erzeugt. An der Brennstoffzelle 2 ist ein
Stromsensor 2a befestigt, der während der Stromerzeugung
einen Strom erfasst.
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Das
Rohrsystem 3 für das oxidierende Gas schließt
einen Luftzuführungskanal 11, durch den das der
Brennstoffzelle 2 zuzuführende oxidierende Gas
strömt, und einen Gasaustragkanal 12, durch den
ein aus der Brennstoffzelle 2 ausgetragenes Abgas des oxidierenden
Gases strömt, ein. Der Luftzuführkanal 11 ist
mit einem Kompressor 14, der das oxidierende Gas über
einen Filter 13 aufnimmt, und einem Befeuchter 15,
der das unter Druck durch den Kompressor 14 zugeführte
oxidierende Gas befeuchtet, ausgestattet. Das durch den Gasaustragkanal 12 strömende
Abgas des oxidierenden Gases durchströmt ein Staudruckstellventil 16,
wird für den Austausch des Wassergehalts im Befeuchter 15 verwendet
und schließlich als Abgas in die Atmosphäre außerhalb
des Systems ausgetragen. Um das oxidierende Gas aus der Atmosphäre
aufzunehmen, wird der Kompressor 14 durch einen Motor (nicht
gezeigt) gesteuert.
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Das
Rohrsystem 4 für das Brenngas weist eine Quelle 21 für
die Wasserstoffzufuhr; einen Wasserstoffzuführkanal 22,
durch den das aus der Quelle 21 für die Wasserstoffzufuhr
der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Wasserstoffgas
strömt; einen Zirkulationskanal 23 zum Rückführen
eines aus der Brennstoffzelle 2 ausgetragenen Wasserstoffabgases
zu einem Verbindungsstück A1 des Wasserstoffzuführkanals 22;
eine Wasserstoffpumpe 24, die das Wasserstoffabgas unter
Druck in dem Zirkulationskanal 23 dem Wasserstoffzuführkanal 22 zuführt;
und einen verzweigten und mit dem Zirkulationskanal 23 verbundenen
Gas-/Wasseraustragkanal 25 auf.
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Die
Quelle 21 für die Wasserstoffzufuhr entspricht
erfindungsgemäß einer Quelle für die
Brennstoffzufuhr, besteht zum Beispiel aus einem Hochdruckbehälter,
einer Wasserstoffokklusionslegierung oder dergleichen und kann so
aufgebaut sein, dass sie Wasserstoffgas mit zum Beispiel 35 MPa
oder 70 MPa aufnimmt. Wenn ein Absperrventil 26, das später
beschrieben ist, geöffnet wird, strömt das Wasserstoffgas
aus der Quelle 21 für die Wasserstoffzufuhr in
den Wasserstoffzuführkanal 22. Mit Hilfe eines Reglers 27 und
eines Einspritzventils 28, die später beschrieben
sind, wird der Druck des Wasserstoffgases schließlich auf
zum Beispiel ungefähr 200 kPa reduziert und das Gas der
Brennstoffzelle 2 zugeführt. Es muss beachtet
werden, dass die Quelle 21 für die Wasserstoffzufuhr
aus einem Reformer, der ein wasserstoffreiches reformiertes Gas
aus einem kohlenwasserstoffbasierten Brennstoff bildet, und einem Hochdruckgasbehälter
aufgebaut sein kann, der das durch diesen Reformer gebildete reformierte
Gas in einen Zustand hohen Drucks bringt, um den Druck zu erhöhen.
Alternativ dazu kann ein Behälter mit der Wasserstoffokklusionslegierung
als Quelle 21 für die Brennstoffzufuhr verwendet
werden.
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Der
Wasserstoffzuführkanal 22 ist mit dem Absperrventil 26,
das die Zufuhr des Wasserstoffgases aus der Quelle 21 für
die Wasserstoffzufuhr verschließt oder zulässt,
dem Regler 27, der den Druck des Wasserstoffgases einstellt,
und dem Einspritzventil 28 ausgestattet. An der stromabwärtigen
Seite des Einspritzventils 28 und an der stromaufwärtigen Seite
des Verbindungsstücks A1 des Wasserstoffzuführkanals 22 und
des Zirkulationskanals 23 ist ein Drucksensor 29 vorgesehen,
der den Druck des Wasserstoffgases in dem Wasserstoffzuführkanal 22 erfasst.
An der stromaufwärtigen Seite des Einspritzventils 28 sind
ferner ein Drucksensor und ein Temperatursensor (nicht gezeigt)
vorgesehen, die den Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases
in dem Wasserstoffzuführkanal 22 erfassen.
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Der
Regler 27 ist eine Einrichtung, die den stromaufwärtigen
Druck (den Primärdruck) des Reglers auf einen voreingestellten
Sekundärdruck einstellt. In der vorliegenden Ausführungsform
wird ein mechanisches Druckreduzierventil, das den Primärdruck
reduziert, als Regler 27 eingesetzt. Als Anordnung des
mechanischen Druckreduzierventils kann eine bekannte Anordnung verwendet
werden, die ein mit einer Staudruckkammer und einer über
ein Diaphragma gebildeten Druckausgleichskammer versehenes Gehäuse
aufweist und in der der Primärdruck infolge des Staudrucks
der Staudruckkammer auf einen vorgegebenen Druck reduziert ist,
um den Sekundärdruck in der Druckausgleichskammer zu bilden.
Wie in 1 gezeigt, sind in der vorliegenden Ausführungsform
zwei Regler 27 an der stromaufwärtigen Seite des
Einspritzventils 28 angeordnet, wodurch der stromaufwärtige
Druck des Einspritzventils 28 effektiv reduziert werden
kann. Der Freiheitsgrad bei der Gestaltung der mechanischen Struktur
(eines Ventilkörpers, eines Gehäuses, eines Kanals,
einer Steuereinrichtung und dergleichen) des Einspritzventils 28 kann
daher erhöht werden. Des Weiteren kann der stromaufwärtige
Druck des Einspritzventils 28 reduziert werden, so dass
vermieden werden kann, dass sich der Ventilkörper des Einspritzventils 28 aufgrund
der Zunahme einer Druckdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen
Druck des Einspritzventils 28 und dem stromabwärtigen
Druck desselben nicht leicht bewegt. Die Bandbreite der variablen
Druckeinstellung des stromabwärtigen Drucks des Einspritzventils 28 kann
daher erweitert werden und eine Abnahme des Ansprechverhaltens des
Einspritzventils 28 kann verhindert werden. Der Regler 27 stellt
den Gaszustand (den Gasdruck) an der stromaufwändigen Seite
des Wasserstoffzuführungskanals 22 ein, um das
Gas einer stromabwärtigen Seite zuzuführen, und
entspricht einer Einrichtung für eine variable Gaszufuhr
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Das
Einspritzventil 28 ist ein Öffnungs-/Verschlussventil
des Typs mit einer elektromagnetischen Ansteuerung, bei dem der
Ventilkörper direkt von einer elektromagnetischen Antriebskraft
angesteuert und in einem vorgegebenen Antriebstakt von einem Ventilsitz
entfernt angeordnet wird, wodurch eine Strömungsgeschwindigkeit
des Gases oder ein Gasdruck eingestellt werden können.
Das Einspritzventil 28 schließt den Ventilsitz
mit einem Einspritzloch ein, das einen gasförmigen Brennstoff,
wie Wasserstoffgas, einspritzt, und es schließt ebenso
einen Düsenkörper, der den gasförmigen
Brennstoff dem Einspritzloch zuführt und zu diesem leitet,
und den bewegbar aufgenommenen und in einer axialen Richtung (einer
Strömungsrichtung des Gases) bezogen auf diesen Düsenkörper
gehaltenen Ventilkörper zum Öffnen und Schließen
des Einspritzlochs ein. In der vorliegenden Ausführungsform
wird der Ventilkörper des Einspritzventils 28 durch
einen Magneten angetrieben, der eine elektromagnetische Antriebseinrichtung
ist, und ein diesem Magneten zugeführter impulsgleicher
Anregungsstrom kann an- oder abgeschaltet werden, um den sich öffnenden
Bereich des Einspritzlochs in zwei oder mehreren Stufen umzuschalten.
Die Dauer und der Zeitpunkt der Einspritzung des Gases durch das
Einspritzventil 28 werden auf Basis einer Steuersignalausgabe
aus dem Steuerabschnitt 7 gesteuert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit
und der Druck des Wasserstoffgases exakt gesteuert werden. In dem
Einspritzventil 28 wird das Ventil (der Ventilkörper
und der Ventilsitz) direkt von der elektromagnetischen Antriebskraft
angetrieben, um sich zu öffnen oder zu schließen,
und der Antriebstakt des Ventils kann in einem hochresponsiven Bereich
gesteuert werden, so dass das Einspritzventil eine hohes Ansprechverhalten
zeigt.
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Um
das Gas mit einer geforderten Strömungsgeschwindigkeit
zu der stromabwärtigen Seite des Einspritzventils zuzuführen,
wird in dem Einspritzventil 28 wenigstens entweder der
sich öffnende Bereich (der Grad der Öffnung) oder
die Öffnungsdauer des in dem Gaskanal des Einspritzventils 28 vorgesehenen
Ventilkörpers geändert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit
(oder die molekulare Konzentration des Wasserstoffs) des der stromabwärtigen
Seite (einer Seite der Brennstoffzelle 2) zuzuführenden
Gases eingestellt wird. Es ist zu beachten, dass der Ventilkörper
des Einspritzventils 28 zum Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit
des Gases geöffnet oder geschlossen wird und der Druck
des der stromabwärtigen Seite des Einspritzventils 28 zuzuführenden
Gases im Vergleich zu dem Gasdruck an der stromaufwärtigen
Seite des Einspritzventils 28 reduziert ist, so dass das
Einspritzventil 28 als Druckstellventil (ein Druckreduzierventil,
ein Regler) angesehen werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform
kann das Einspritzventil des Weiteren als variables Druckstellventil
angesehen werden, das die einzustellende Höhe (die zu verringernde
Höhe) des stromaufwärtigen Gasdrucks des Einspritzventils 28 so ändern
kann, dass der Druck mit einem geforderten Druck in einem vorgegebenen
Druckbereich auf Basis eines Gasbedarfs übereinstimmt.
Das Einspritzventil 28 stellt einen Gaszustand (eine Strömungsgeschwindigkeit
des Gases, eine molekulare Konzentration des Wasserstoffs oder einen
Gasdruck) an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffzuführungskanals 22 ein,
um das Gas der stromabwärtigen Seite zuzuführen,
und entspricht erfindungsgemäß der Einrichtung
für eine variable Gaszufuhr.
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Es
ist zu beachten, dass das Einspritzventil 28 in der vorliegenden
Ausführungsform, wie in 1 gezeigt,
an der stromaufwärtigen Seite des Verbindungsstücks
A1 des Wasserstoffzuführkanals 22 und des Zirkulationskanals 23 angeordnet
ist. Wie mit den gestrichelten Linien in 1 gezeigt,
ist das Einspritzventil 28 zudem in einem Fall, bei dem
eine Vielzahl von Quellen 21 für die Wasserstoffzufuhr
als Quellen für die Brennstoffzufuhr verwendet wird, an der
stromabwärtigen Seite eines Stücks (eines Verbindungsstücks
A2 für die Wasserstoffgase) angeordnet, in dem die aus
den Quellen 21 für die Wasserstoffzufuhr zugeführten
Wasserstoffgase zusammengeführt werden.
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Der
Zirkulationskanal 23 ist über einen Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 und
ein Gas-/Wasseraustragventil 31 mit dem Gas-/Wasseraustragkanal 25 verbunden.
Der Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 sammelt das in
dem Wasserstoffabgas enthaltene Wasser. Das Gas-/Wasseraustragventil 31 arbeitet entsprechend
einem Befehl aus dem Steuerabschnitt 7, um den durch den
Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 gesammelten Wassergehalt
und das Verunreinigungen einschließende Wasserstoffabgas
(das Brennabgas) in dem Zirkulationskanal 23 aus dem System auszutragen
(zu reinigen). Das Gas-/Wasseraustragventil 31 wird geöffnet,
wodurch die Konzentration der Verunreinigungen in dem Wasserstoffabgas
in dem Zirkulationskanal 23 verringert wird und eine Konzentration
des Wasserstoffs in dem zu zirkulierenden und zuzuführenden
Wasserstoffabgas zunimmt. Der Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 ist
mit einem Sensor für die Wassertemperatur (nicht gezeigt) ausgestattet,
der die Temperatur des in selbigem aufgenommenen Wassergehalts erfasst
und der Gas-/Wasseraustragkanal 25 ist mit einem Temperatursensor 32 ausgestattet,
der die Temperatur in dem Kanal erfasst. Die von dem Sensor für
die Wassertemperatur und dem Temperatursensor 32 erfassten Temperaturinformationen
werden während des Startens bei der Steuerung der Reinigung
verwendet, wie später beschrieben ist. Der Zirkulationskanal 23 und der
Gas-/Wasseraustragkanal 25 entsprechen einer Ausführungsform
eines Wasseraustragkanals gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Das über
das Gas-/Wasseraustragventil 31 und den Gas-/Wasseraustragkanal 25 ausgetragene Wasserstoffabgas
wird durch einen Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt,
um in dem Gasaustragkanal 12 mit dem Abgas des oxidierenden
Gases zusammengeführt zu werden. Die Wasserstoffpumpe 24 wird durch
einen Motor (nicht gezeigt) angesteuert, um das Wasserstoffgas in
einem Zirkulationssystem zu zirkulieren und der Brennstoffzelle 2 zuzuführen,
und fungiert in der vorliegenden Erfindung als eine Ausführungsform
einer Zirkulationspumpe. Das Zirkulationssystem des Wasserstoffgases
besteht aus dem Kanal an der stromabwärtigen Seite des
Verbindungsstücks A1 des Wasserstoffzuführkanals 22,
einem in den Separatoren und der Brennstoffzelle 2 gebildeten
Brenngaskanal und dem Zirkulationskanal 23.
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Das
Rohrsystem 5 für das Kühlmittel weist einen
Kühlmittelkanal 41 auf, der mit einem Kühlkanal
in der Brennstoffzelle 2, einer in dem Kühlmittelkanal 41 vorgesehenen
Kühlpumpe 42 und einem Kühler 43 verbunden
ist, der das aus der Brennstoffzelle 2 ausgetragene Kühlmittel
kühlt. Die Kühlpumpe 42 wird durch einen
Motor (nicht gezeigt) angesteuert, um das Kühlmittel in
dem Kühlmittelkanal 41 zu zirkulieren und der
Brennstoffzelle 2 zuzuführen.
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Das
Stromsystem 6 schließt einen Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61,
eine Batterie 62, einen Antriebsumrichter 63,
einen Fahrmotor 64, einen beliebigen Typ eines Hilfswechselrichters
(nicht gezeigt) und dergleichen ein. Der Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61 ist
ein Gleichstromspannungswandler und besitzt die Funktion, die Eingabe einer
Gleichstromspannung aus der Batterie 62 einzustellen, um
die Spannung an die Seite des Antriebsumrichters 63 auszugeben,
und die Funktion, die Eingabe der Gleichstromspannung aus der Brennstoffzelle 2 oder
dem Fahrmotor 64 einzustellen, um die Spannung an die Batterie 62 auszugeben.
Das Laden/Entladen der Batterie 62 wird durch diese Funktionen
des Hochspannungs-DC/DC-Wandlers 61 realisiert. Des Weiteren wird
die ausgegebene Spannung der Brennstoffzelle 2 durch den
Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61 gesteuert.
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Die
Batterie 62 ist durch Laminieren von Batteriezellen aufgebaut,
weist eine festgelegte Hochspannung als Klemmenspannung auf und
kann durch einen Batteriecomputer (nicht gezeigt) gesteuert werden,
um einen überschüssigen Strom zu laden oder hilfsweise
einen Strom zuzuführen. Der Antriebsumrichter 63 wandelt
einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom dem
Fahrmotor 64 zuzuführen. Der Fahrmotor 64 ist zum
Beispiel ein Dreiphasen-Wechselstrom-Motor und bildet die Hauptstromversorgung
eines Fahrzeugs, an dem das Brennstoffzellensystem 1 befestigt
ist. Der Hilfswechselrichter ist ein Steuerabschnitt des Motors,
der den Antrieb jedes Motors steuert und den Gleichstrom in den
Dreiphasen-Wechselstrom umwandelt, um jeden Motor mit Strom zu versorgen. Der
Hilfswechselrichter ist zum Beispiel der PWM-Wandler eines Pulsbreiten-Modulatorsystems und
wandelt die Ausgabe der Gleichstromspannung aus der Brennstoffzelle 2 oder
der Batterie 62 gemäß einer Steueranweisung
aus dem Steuerabschnitt 7 in die Dreiphasen-Wechselstromspannung
um, um ein Drehmoment zu steuern, das in jedem Motor erzeugt wird.
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Der
Steuerabschnitt 7 erfasst das Ausmaß des Betriebs
eines in dem Fahrzeug vorgesehenen, eine Beschleunigung ausführenden
Elements (eines Gaspedals oder dergleichen) und empfängt
Steuerinformationen, wie einen geforderten Beschleunigungswert (z.
B. die von einer Belastungseinrichtung wie dem Fahrmotor 64 geforderte
Menge der Stromerzeugung), um die Vorgänge der verschiedenen Einheiten
in dem System zu steuern. Es ist zu beachten, dass die Belastungseinrichtung
eine gewöhnliche Einrichtung mit Stromverbrauch ist, die
neben dem Fahrmotor 64 eine für den Betrieb der
Brennstoffzelle 2 erforderliche Hilfseinrichtung (z. B.
die Motoren des Kompressors 14, der Wasserstoffpumpe 24,
der Kühlpumpe 42 und dergleichen), ein mit dem
Laufen des Fahrzeugs verbundenes Bedienteil zur Verwendung in jeglicher
Art von Einrichtung (ein Wechselrad, ein Radsteuerabschnitt, eine
Lenkeinrichtung, eine Aufhängekonstruktion oder dergleichen),
die Klimaanlageneinrichtung (eine Klimaanlage) eines Fahrgastraums,
Beleuchtung, Audioanlagen oder dergleichen einschließt.
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Der
Steuerabschnitt 7 besteht aus einem Computersystem (nicht
gezeigt). Ein solches Computersystem schließt eine CPU,
ein ROM, ein RAM, eine HDD, eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle,
ein Display und dergleichen ein und die CPU liest jedes beliebige
in dem ROM gespeicherte Steuerprogramm, um eine gewünschte
Berechnung auszuführen, wodurch verschiedene Vorgänge
und Steuerungen, wie die später beschriebene Steuerung
der Reinigung, ausgeführt werden.
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Wie
in 2 gezeigt, berechnet der Steuerabschnitt 7 besonders
die Strömungsgeschwindigkeit (im Folgenden als „Wasserstoffverbrauch” bezeichnet)
des von der Brennstoffzelle 2 verbrauchten Wasserstoffgases
auf Basis des während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 2 durch
den Stromsensor 2a erfassten Stromwerts (eine Funktion
zum Berechnen des Brennstoffverbrauchs: B1). In der vorliegenden
Ausführungsform wird der Wasserstoffverbrauch mit Hilfe
einer speziellen Rechenformel, die eine Beziehung zwischen dem Stromwert
während der Stromerzeugung und dem Was serstoffverbrauch
angibt, berechnet und für jeden Berechnungszyklus des Steuerabschnitts 7 aktualisiert.
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Des
Weiteren berechnet der Steuerabschnitt 7 einen Zielwert
für den Druck des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases in der stromabwärtigen Position des Einspritzventils 28 auf
Basis des Stromwerts während der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 2 (eine
Funktion zum Berechnen des Zielwerts für den Druck: B2)
und der Abschnitt berechnet ein Zielausmaß der Reinigung
(die Zielmenge des ausgetragenen Wasserstoffabgases aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31)
(eine Funktion zum Berechnen des Zielausmaßes der Reinigung:
B3). In der vorliegenden Ausführungsform werden der Zielwert
für den Druck und das Zielausmaß der Reinigung
mit Hilfe eines speziellen Kennfeldes, das eine Beziehung zwischen
dem Stromwert während der Stromerzeugung und dem Zielwert
für den Druck und dem Zielausmaß der Reinigung
angibt, für jeden Berechnungszyklus des Steuerabschnitts 7 berechnet.
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Der
Steuerabschnitt 7 berechnet ferner eine Abweichung zwischen
dem berechneten Zielwert für den Druck und dem durch den
Drucksensor 29 erfassten Druckwert (dem erfassten Druckwert)
der stromabwärtigen Position des Einspritzventils 28 (eine
Funktion zum Berechnen der Druckabweichung: B4). Dann berechnet
der Steuerabschnitt 7 eine zu dem Wasserstoffverbrauch
zu addierende Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases
(eine Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung),
um die berechnete Abweichung zu verkleinern (eine Funktion zum Berechnen
der Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung:
B5). In der vorliegenden Ausführungsform wird die Strömungsgeschwindigkeit
zur Korrektur der Rückkopplung unter Verwenden der Zielsteuerung einer
PI-Steuerung des Wiederholungstyps oder dergleichen berechnet. Der
Steuerabschnitt 7 addiert auch den Wasserstoffverbrauch
und die Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung,
um die Strömungsgeschwindigkeit der Einspritzung des Einspritzventils 28 zu
berechnen (eine Funktion zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit
der Einspritzung: B6). Dann berechnet der Steuerabschnitt 7 die
Einspritzdauer des Einspritzventils 28 auf Basis der berechneten
Strömungsgeschwindigkeit der Einspritzung und eines Antriebstakts
und gibt ein Steuersignal zum Ausführen dieser Einspritzdauer
aus, wodurch die Dauer und der Zeitpunkt der Einspritzung des Gases
von dem Einspritzventil 28 gesteuert werden, um die Strömungsgeschwindigkeit
und den Druck des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases einzustellen.
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Daneben
führt der Steuerabschnitt 7 die Regelung des Einspritzventils 28 aus
(steuert die Dauer und den Zeitpunkt der Einspritzung des Gases
von dem Einspritzventil 28, so dass der erfasste Druckwert
in der stromabwärtigen Position des Einspritzventils 28 einem
vorgegebenen Zielwert für den Druck folgt) und der Abschnitt
führt auch die Steuerung des Öffnens/Schließens
des Gas-/Wasseraustragventils 31 durch, wodurch der Wassergehalt
und das Wasserstoffabgas in dem Zirkulationskanal 23 über
das Gas-/Wasseraustragventil 31 aus dem System ausgetragen
werden. In diesem Fall berechnet der Steuerabschnitt 7 die
insgesamt ausgetragene Menge (das Ausmaß der Reinigung)
des Wasserstoffabgases aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 auf
Basis der Änderung eines Zustands der Gaszufuhr von dem
Einspritzventil 28 (eine Funktion zum Berechnen des Ausmaßes
der Reinigung: B7), um zu beurteilen, ob das berechnete Ausmaß der
Reinigung ein vorgegebenes Zielausmaß der Reinigung oder
mehr ist oder nicht (eine Funktion zur Beurteilung der Abweichung
des Ausmaßes der Reinigung: B8). Dann öffnet der
Steuerabschnitt 7 das Gas-/Wasseraustragventil 31 in
einem Fall, bei dem ein berechnetes Ausmaß Q der Reinigung
ein Zielausmaß Q0 der Reinigung
oder mehr ist (Funktion zur Steuerung der Reinigung. B9).
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Hier
wird die Funktion B7 zum Berechnen des Ausmaßes der Reinigung
des Steuerabschnitts 7 ausführlich beschrieben.
In einem Fall, bei dem das Gas-/Wasseraustragventil 31 geöffnet
ist, um das Wasserstoffabgas aus dem Zirkulationskanal 23 in einem
Zustand auszutragen, in dem der erfasste Druckwert des Drucksensors 29 in
der stromabwärtigen Position des Einspritzventils 28 dem
Zielwert für den Druck infolge der Regelung des Einspritzventils 28 folgt,
nimmt der erfasste Druckwert vorübergehend ab. Der Steuerabschnitt 7 berechnet
einen solchen Druckabfall infolge des Austragens (Reinigens) des
Wasserstoffabgases und berechnet die dem Druckabfall entsprechende
ausgetragene Menge (die der Druckänderung entsprechende
Strömungsgeschwindigkeit) des Wasserstoffabgases auf Basis dieses
berechneten Druckabfalls (eine Funktion zum Berechnen der der Druckänderung
entsprechenden Strömungsge schwindigkeit: B7a). In der vorlegenden Ausführungsform
wird eine der Druckänderung entsprechende Strömungsgeschwindigkeit
Q1 unter Verwenden einer speziellen Rechenformel
berechnet, die eine Beziehung zwischen dem Druckabfall infolge des
Reinigens und der diesem Druckabfall entsprechenden ausgetragenen
Menge des Wasserstoffabgases angibt. Ferner berechnet der Steuerabschnitt 7 die
Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung
(eine Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Gaszufuhr),
um den Druckabfall infolge des Austragens (Reinigens) des Wasserstoffabgases zu
kompensieren (eine Funktion zum Berechnen der korrigierten Strömungsgeschwindigkeit:
B5), um den integrierten Wert Q2 für
diese Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung
im Verlauf einer Zeit von einem Zeitpunkt, wenn das Reinigen gestartet
wird, zu berechnen (eine Funktion zum Integrieren der korrigierten
Strömungsgeschwindigkeit: B7b). Dann addiert der Steuerabschnitt 7 die
der Druckänderung entsprechende Strömungsgeschwindigkeit
Q1 und den integrierten Wert Q2 für
die Strömungsgeschwindigkeit zur Korrektur der Rückkopplung
im Verlauf der Zeit von einem Zeitpunkt, wenn das Reinigen startet,
um die insgesamt ausgetragene Menge (das Ausmaß Q der Reinigung)
des Wasserstoffabgases aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 zu
berechnen (die Funktion zum Berechnen des Ausmaßes der
Reinigung: B7).
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Des
Weiteren wird die Funktion B9 zur Steuerung der Reinigung des Steuerabschnitts 7 ausführlich
beschrieben. Der Steuerabschnitt 7 erfasst das AN-Signal
(eine Anfrage nach dem Starten des Systems) des Zündschalters
des Fahrzeugs mit der Brennstoffzelle und erfasst mit Hilfe eines
Sensors für die Außenlufttemperatur (nicht gezeigt)
eine Außenlufttemperatur. Dann steuert der Steuerabschnitt 7 das
Gas-/Wasseraustragventil, so dass das Austragen von Wasser aus dem
Gas-/Wasseraustragventil 31 von einem Zeitpunkt, wenn das
AN-Signal erfasst wird, bis zu einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur des
Systems eine vorgegebene Temperatur erreicht, in einem Fall, bei
dem das AN-Signal des Zündschalters unter Bedingungen erfasst
wird, bei denen die Außenlufttemperatur unterhalb eines
vorgegebenen Schwellenwerts (z. B. null Grad Celsius) liegt, verhindert
wird. Das heißt, dass der Steuerabschnitt 7 in der
vorliegenden Erfindung als Mittel zur Steuerung des Austragens dient.
Hier bezeichnet die „Temperatur des Systems” die
mittlere Temperatur des gesamten Systems oder die Temperatur einer
speziellen Anordnung in dem System. In der vorliegenden Ausführungsform
wird das Austragen von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 solange
verhindert, bis die durch den Temperatursensor 32 erfasste Temperatur
(die Temperatur in dem Gas-/Wasseraustragkanal 25) die
vorgegebene Temperatur erreicht. In einem Fall, bei dem das Austragen
von Wasser zugelassen wird, kann die „vorgegebene Temperatur” in
geeigneter Weise entsprechend dem Maßstab oder der Ausführung
des gesamten Systems, der Außenlufttemperatur oder dergleichen
als Standard eingestellt werden.
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Ferner
steuert der Steuerabschnitt 7 das Gas-/Wasseraustragventil 31,
um so das Austragen von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 (selbst
wenn die Temperatur in dem Gas-/Wasseraustragkanal 25 unterhalb
der vorgegebenen Temperatur liegt) in einem Fall, bei dem die Wärmemenge des
in dem Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 aufgenommenen
Wassers (des in dem Gas-/Wasseraustragventil 31 aufgenommenen
Wassers) eine festgelegte Wärmemenge übersteigt,
zuzulassen. In der vorliegenden Ausführungsform wird die
Wärmemenge des aufgenommenen Wassers auf Basis der durch
einen Sensor für die Wassertemperatur erfasste Temperatur
des aufgenommenen Wassers und der aus dem Stromwert während
der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 2 geschätzten
Menge des aufgenommenen Wassers berechnet. In einem Fall, bei dem
das Austragen von Wasser zugelassen wird, kann die „vorgegebene
Wärmemenge” in geeigneter Weise entsprechend dem
Maßstab oder der Ausführung des gesamten Systems,
der Schnittfläche oder der Kanallänge des Gas-/Wasseraustragkanals 25 oder
dergleichen als Standard eingestellt werden. In der vorliegenden
Ausführungsform wird eine null Grad Celsius zu durchbrechende
Wärmenge (die Wärmenge, die dafür erforderlich
ist, dass das Gas-/Wasseraustragventil 31 und der Gas-/Wasseraustragkanal 25 unter
Bedingungen, bei denen die Außenlufttemperatur null Grad
Celsius beträgt, null Grad Celsius übersteigen),
die auf Basis der durch den Temperatursensor 32 erfassten
Temperatur in dem Gas-/Wasseraustragkanal 25 und der Wärmekapazität
des Gas-/Wasseraustragkanals 25 berechnet wurde, als „vorgegebene
Wärmemenge” verwendet.
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Während
das Austragen von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 verhindert
wird, steuert der Steuerabschnitt 7 das Einspritzventil 28 ferner
so, dass die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases auf eine Menge eingestellt wird, die größer
als eine festgelegte zuzuführende Menge ist, und der Abschnitt
steuert die Wasserstoffpumpe 24 so, dass die Menge des
durch die Brennstoffzelle 2 zu zirkulierenden Wasserstoffgases
größer als eine vorgegebene zu zirkulierende Menge
ist. Das heißt, dass der Steuerabschnitt 7 in der
vorliegenden Erfindung auch als Mittel zur Steuerung der Brennstoffzufuhr
dient. In der vorliegenden Ausführungsform wird als „festgelegte
zuzuführende (zu zirkulierende) Menge” die zuzuführende
(zu zirkulierende) Menge während des gewöhnlichen
Startens, wenn das Austragen von Gas oder Wasser nicht verhindert
wird, verwendet.
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Als
nächstes wird ein Verfahren zur Steuerung der Reinigung
(ein Verfahren zur Steuerung des Austragens von Wasser) während
des Startens des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm
aus 3 beschrieben.
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Während
des gewöhnlichen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird
das Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffbehälter 30 über
den Wasserstoffzuführkanal 31 der Brennstoffelektrode
der Brennstoffzelle 10 zugeführt und die befeuchtete
und eingestellte Luft wird der oxidierenden Elektrode der Brennstoffzelle 10 über
den Luftzuführkanal 21 zugeführt, um
einen Strom zu erzeugen. In diesem Fall wird der aus der Brennstoffzelle 10 abzuleitende Strom
(der geforderte Strom) durch die Steuereinrichtung 4 berechnet
und die Mengen an Wasserstoffgas und Luft werden entsprechend der
Menge des von der Brennstoffzelle erzeugten Stroms der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird während
des Startens des Systems, bevor eine solcher gewöhnlicher
Vorgang ausgeführt wird, die Steuerung der Reinigung durchgeführt.
Es muss beachtet werden, dass das Gas-/Wasseraustragventil 31 vor
dem Starten des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen ist.
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Zunächst
beurteilt der Steuerabschnitt 7 des Brennstoffzellensystems 1,
ob sich das AN-Signal des Zündschalters (die Anfrage nach
dem Starten des Systems) in einem Zustand des Betriebsstopps befindet
oder nicht (ein Schritt zur Beurteilung der Anfrage nach dem Starten:
S1). In einem Fall, bei dem das AN-Signal des Zündschalters
erfasst wird, erfasst der Steuerabschnitt 7 anschließend
mit Hilfe eines Sensors für die Außenlufttemperatur
die Temperatur der Außenluft, um zu beurteilen, ob die
Außenlufttemperatur unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts
(z. B. null Grad Celsius) liegt oder nicht (ein Schritt zur Beurteilung
der Außenlufttemperatur: S2).
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Anschließend
schaltet der Steuerabschnitt 7 in einem Fall, bei dem in
dem Schritt S2 zur Beurteilung der Außenlufttemperatur
beurteilt wird, dass die Außenlufttemperatur bei einem
festgelegten Schwellenwert oder mehr liegt, zu einem Schritt zum Öffnen des
Gas-/Wasseraustragventils 31 (einem später beschriebenen
Schritt S6 zum Öffnen des Reinigungsventils) um. In einem
Fall, bei dem in dem Schritt S2 zur Beurteilung der Außenlufttemperatur
beurteilt wird, dass die Außenlufttemperatur unterhalb
des vorgegebenen Schwellenwerts liegt, behält der Steuerabschnitt 7 zum
anderen den geschlossenen Zustand des Gas-/Wasseraustragventils 31 bei
und steuert das Einspritzventil 28 und die Wasserstoffpumpe 24 so,
dass die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
und durch diese zu zirkulierenden Wasserstoffgases auf eine Menge
eingestellt wird, die größer als eine festgelegte
Menge ist (ein Schritt zum Beibehalten des geschlossenen Reinigungsventils:
S3).
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Nach
dem Schritt S3 zum Beibehalten des geschlossenen Reinigungsventils
beurteilt der Steuerabschnitt 7, ob die durch den Temperatursensor 32 erfasste
Temperatur in dem Gas-/Wasseraustragkanal 25 eine vorgegebene
Temperatur erreicht oder nicht (ein Schritt zur Beurteilung der
Temperatur des Systems: S4). In einem Fall, bei dem eine positive Beurteilung
erhalten wird, schaltet der Schritt zu einem Schritt zum Öffnen
des Gas-/Wasseraustragventils 31 (den später beschriebenen
Schritt S6 zum Öffnen des Reinigungsventils) um. In einem
Fall, bei dem in dem Schritt S4 zur Beurteilung der Temperatur des
Systems eine negative Beurteilung erhalten wird, beurteilt der Steuerabschnitt 7 zum
anderen, ob die Wärmemenge des in dem Gas-/Wasseraustragventil 31 aufgenommenen
Wassers (des in dem Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 aufgenommenen
Wassers) eine vorgegebene Wärmemenge übersteigt oder
nicht (der Schritt zur Beurteilung der Wärmemenge des aufgenommenen
Wassers: S5).
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Wenn
in dem Schritt S5 zur Beurteilung der Wärmemenge des aufgenommenen
Wassers eine negative Beurteilung erhalten wird, führt
der Steuerabschnitt 7 dann wiederholt den Schritt des Umschaltens
zu dem Schritt S3 zum Beibehalten des geschlossenen Reinigungsventils
aus. Wenn eine positive Beurteilung erhalten wird, öffnet
der Steuerabschnitt zum anderen das Gas-/Wasseraustragventil 31 (der
Schrift zum Öffnen des Reinigungsventils: S6). Durch die
vorstehend beschriebene Schrittfolge wird das Reinigen des Brennstoffzellensystems 1 während
des Startens realisiert.
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Es
ist zu beachten, dass der Schritt S1 zur Beurteilung der Anfrage
nach dem Starten und der Schritt S2 zur Beurteilung der Außenlufttemperatur
in der vorliegenden Ausführungsform entsprechend dem ersten
und zweiten Schritt in der vorliegenden Erfindung entsprechen und
der Schritt S3 zum Beibehalten des geschlossenen Reinigungsventils
und der Schritt S4 zur Beurteilung der Temperatur des Systems in
der vorliegenden Ausführungsform dem dritten Schritt in
der vorliegenden Erfindung entsprechen.
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In
dem Brennstoffzellensystem 1 der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform kann ein Strömen des in dem Zirkulationskanal 23 enthaltenen Wassers
in das Gas-/Wasseraustragventil 31 von einem Zeitpunkt,
wenn der AN-Betrieb des Zündschalters (die Anfrage nach
dem Starten des Systems) bei niedrigen Temperaturen, bei denen die
Außenlufttemperatur unterhalb des festgelegten Schwellenwerts
liegt, durchgeführt wird, bis zu einem Zeitpunkt, wenn
die Temperatur des Systems die vorgegebene Temperatur erreicht,
verhindert werden. Daher kann ein Einfrieren des Gas-/Wasseraustragventils 31 (und
das Schließen des Gas-/Wasseraustragventils 31 aufgrund
des Einfrierens) selbst bei niedrigen Temperaturen verhindert werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem 1 der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform kann des Weiteren, wenn die Wärmemenge
des in dem Gas-Flüssigkeitsscheider 30 aufgenommenen
Wassers die festgelegte Wärmemenge übersteigt,
das Austragen des Wassers aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 zugelassen
werden. Eine Lösung des Problems, dass das Wasser in dem
Gas-/Wasseraustragventil 31 unter Stoppen des Austragens
von Wasser einfriert, und dass jegliche Substanz, die nicht zur Stromerzeu gung
beiträgt, zum Beispiel Stickstoff, nicht in ähnlicher
Weise ausgetragen, sondern stattdessen angesammelt wird, ist daher
möglich.
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Während
das Austragen von Gas/Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 verhindert wird,
können die Mengen des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
und durch diese zu zirkulierenden Wasserstoffgases in dem Brennstoffzellensystem 1 der
obigen Ausführungsform ferner auf die Menge eingestellt
werden, die größer als die festgelegte Menge ist
(die während des gewöhnlichen Startens zuzuführende
und die zu zirkulierende Menge, wenn das Austragen von Gas/Wasser
nicht gehemmt ist). Es kann daher vermieden werden, dass die Konzentration
des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffs
infolge des Verhinderns eines gleichzeitig mit dem Austragen von
Wasser erfolgenden Austragens von Gas abnimmt.
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Es
ist zu beachten, dass in der obigen Ausführungsform das
Beispiel, bei dem das Rohrsystem 4 für das Wasserstoffgas
des Brennstoffzellensystems 1 mit dem Zirkulationskanal 23 ausgestattet
ist, beschrieben wurde, jedoch, wie zum Beispiel in 4 gezeigt,
ein Austragkanal 33 mit einer Brennstoffzelle 2 verbunden
ist und der Zirkulationskanal 23 weggelassen werden kann.
Selbst wenn eine solche Anordnung (ein Sackgassensystem) verwendet wird,
wird der AN-Betrieb des Zündschalters bei niedrigen Temperaturen
durchgeführt und der Steuerabschnitt 7 behält
den geschlossenen Zustand des Gas-/Wasseraustragventils 31 bei,
wodurch denjenigen der obigen Ausführungsform ähnelnde
Funktionen und Effekte erhalten werden können. Der Austragkanal 33 in
einer solchen Anordnung entspricht in der vorliegenden Erfindung
einer Ausführungsform eines Wasseraustragkanals.
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Des
Weiteren wurde in der obigen Ausführungsform das Beispiel
beschrieben, bei dem der Zirkulationskanal 23 mit der Wasserstoffpumpe 24 ausgestattet
ist, es kann jedoch ein Ejektor anstelle der Wasserstoffpumpe 24 verwendet
werden. In der obigen Ausführungsform wurde ferner das
Beispiel beschrieben, bei dem das Gas-/Wasseraustragventil 31 zum
Ausführen des Austragens von sowohl Gas als auch Wasser
in dem Zirkulationskanal 23 vorgesehen ist. Es wird jedoch
ein Wasseraustragventil, das den durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 30 gesammelten
Wassergehalt aus dem System austrägt, getrennt von einem
Gasaustragventil zum Austragen des Gases in dem Zirkulationskanal 23 aus
dem System bereitgestellt und der Steuerabschnitt 7 kann
das Wasseraustragventil und das Gasaustragventil getrennt voneinander
steuern. Selbst in einem Fall, bei dem eine solche Anordnung verwendet
wird, behält der Steuerabschnitt 7, wenn der AN-Betrieb
des Zündschalters bei niedrigen Temperaturen durchgeführt
wird, den geschlossenen Zustand des Wasseraustragventils bei, wodurch
denjenigen der obigen Ausführungsform ähnelnde
Funktionen und Effekte erhalten werden können.
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In
der obigen Ausführungsform wurde ferner das Beispiel beschrieben,
bei dem das Einspritzventil 28, während des Austragens
von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 verhindert
wird, so gesteuert wird, dass die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases erhöht wird. Anstelle des Einspritzventils 28 (oder
gleichzeitig mit dem Einspritzventil 28) kann jedoch der
Regler 27 gesteuert werden, um die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases zu erhöhen.
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In
der obigen Ausführungsform wurde das Beispiel beschrieben,
bei dem sowohl das Einspritzventil 28 als auch die Wasserstoffpumpe 24,
während des Austragens von Wasser aus dem Gas-/Wasseraustragventil 31 verhindert
wird, so gesteuert werden, dass sowohl die Menge des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases als auch diejenige des durch die Brennstoffzelle 2 zu
zirkulierenden Wasserstoffgases erhöht werden. Es kann
jedoch entweder nur das Einspritzventil 28 oder nur die
Wasserstoffpumpe 24 gesteuert werden, um entweder die Menge
des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Wasserstoffgases
oder die Menge des durch die Brennstoffzelle 2 zu zirkulierenden
Wasserstoffgases zu erhöhen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie
in der Ausführungsform beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung an einem Fahrzeug
mit einer Brennstoffzelle angebracht werden und das System kann
an jedem beliebigen Typ eines mobilen Gegenstands (einem Roboter,
einem Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen), der kein Fahrzeug
mit einer Brennstoffzelle ist, angebracht werden. Des Weiteren kann
das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung für ein stationäres Stromerzeu gungssystem
zur Verwendung als Stromerzeugungsvorrichtung für ein Bauwerk
(ein Gehäuse, ein Gebäude oder dergleichen) angewendet
werden.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem und
Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags für das System
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das eine Brennstoffzelle,
einen Wasseraustragkanal, durch den ein aus dieser Brennstoffzelle
ausgetragener Wassergehalt strömt, und ein Wasseraustragventil,
das den Wassergehalt in diesem Wasseraustragkanal aus dem System
austrägt, einschließt, und das Brennstoffzellensystem
schließt ferner einen Abschnitt zur Steuerung des Wasseraustrags
zum Steuern des Wasseraustragventils ein, um so das Austragen von
Wasser aus dem Wasseraustragventil von einem Zeitpunkt zu verhindern, wenn
das Starten des Systems angefordert wird, bis zu einem Zeitpunkt,
wenn die Temperatur des Systems eine vorgegebene Temperatur erreicht,
in einem Fall, bei dem das Starten des Systems unter Bedingungen
angefordert wird, bei denen eine Außenlufttemperatur unterhalb
eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-178901 [0003, 0004]