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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit
einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle versehen ist, und
ein Verfahren zum Einstellen des Feuchtigkeitsgehalts in einer Polymerelektrolytmembran
dieser Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wenn
der Feuchtigkeitsgehalt einer Elektrolytmembran in einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle
sich verringert, verringert sich die Protonenleitfähigkeit
der Elektrolytmembran ebenso und erhöht sich damit der
Membranwiderstand. Als Ergebnis verringert sich die Ausgangsspannung,
was somit die Batterieleistungsfähigkeit verringert. Zum Minimieren
dieses Problems schlägt die
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2002-175821 (
JP-A-2002-175821 ) beispielsweise einen Aufbau vor,
der eine Steuerung zum weitergehenden Erhöhen des Gasdrucks
an der Kathodenseite als Gegenmaßnahme durchführt,
wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran gering ist.
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In
einer Brennstoffzelle wird Wasser an der Kathode als Ergebnis einer
elektrochemischen Reaktion erzeugt, so dass nahezu der gesamte Feuchtigkeitsgehalt,
der von der Brennstoffzelle nach außen ausgestoßen
wird, als Wasserdampf gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas ausgestoßen
wird. Wenn der Gasdruck an der Kathodenseite erhöht wird,
wie vorstehend beschrieben ist, besteht die Tendenz, dass Wasser
in dem kathodenseitigen Strömungspfad in der Form von flüssigem
Wasser eher als Wasserdampf vorliegt, so dass die Menge, die als
Wasser gemeinsam mit dem Kathodenauslassgas ausgestoßen
wird, verringert werden kann. Wenn ferner der Gasdruck an der Kathodenseite
erhöht wird, ist ein Gegendruckventil zum Einstellen des
Gasdrucks an der Kathodenseite an dem Auslassabschnitt des Gasströmungspfads
an der Kathodenseite vorgesehen. Wenn dieses Gegendruckventil in
die Schließrichtung gesteuert wird, so dass der Öffnungsbetrag des
Ventils verringert wird, wird die Menge des Wasserdampfs, der von
der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, physikalisch unterdrückt,
was die Möglichkeit verringert, dass die Elektrolytmembran
austrocknet. Darüber hinaus treibt die Erhöhung
des Gasdrucks an der Kathodenseite relativ zu der Anodenseite die Bewegung
des Wassers in der Elektrolytmembran von der Kathodenseite, an der
das Wasser erzeugt wird, zu der Anodenseite voran, wodurch sich schließlich
der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran erhöht.
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Jedoch
wird das Gas üblicherweise zu der Kathodenseite durch Zuführen
von druckbeaufschlagter Luft unter Verwendung einer Pumpe oder Ähnlichem
zugeführt. Daher ergibt die Erhöhung des Gasdrucks
an der Kathodenseite einen höheren Energieverbrauch der
Pumpe oder dergleichen und ergibt einen höheren Verlust
der Hilfsvorrichtung. Wenn daher der Verlust der Hilfsvorrichtung
sich auf diesem Weg erhöht, verringert sich die Energieeffizienz
des Gesamtsystems, das die Brennstoffzelle aufweist.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung zielt somit darauf ab, eine Minderung der Leistungsfähigkeit
einer Brennstoffzelle zu unterdrücken, die durch eine Verringerung
eines Feuchtigkeitsgehalts in einer Elektrolytmembran verursacht
wird, ohne eine geringere Energieeffizienz zur Folge zu haben, die
anderenfalls durch einen erhöhten Verlust von einer Hilfsvorrichtung
verursacht würde.
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Ein
erster Gesichtspunkt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem,
das mit einer Brennstoffzelle versehen ist, die eine Polymerelektrolytmembran
hat. Dieses Brennstoffzellensystem weist einen Bestimmungsabschnitt,
der bestimmt, ob ein Feuchtigkeitsgehalt in der Polymerelektrolytmembran
gering ist, und einen Anodengasdruckregulierabschnitt auf, der dann,
wenn bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt gering ist, einen Gasdruck
an einer Anodenseite der Brennstoffzelle niedriger als einen während
eines stationären Betriebs eingestellten Wert des Gasdrucks
an einer Anodenseite einstellt, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt nicht
gering ist.
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Gemäß dem
Brennstoffzellensystem, das aufgebaut ist, wie vorstehend beschrieben
ist, wird dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, der Anodendruck so verringert, dass die Elektrolytmembran
mit der Feuchtigkeit von der Kathode als Ergebnis des Differenzialdrucks
zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite aufgefüllt
wird. Als Folge verringert sich der Widerstandswert der Elektrolytmembran,
so dass ein Abfall der Ausgangsspannung, der durch einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran verursacht wird, unterdrückt werden
kann. Daher kann eine Minderung der Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle auch dann unterdrückt werden, wenn
der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran sich verringert.
Ferner kann der Anodendruck ohne Erhöhen des Energieverbrauchs
verringert werden, so dass eine Minderung einer Batterieleistungsfähigkeit, die
durch einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
verursacht wird, ohne Verringern der Energieeffizienz unterdrückt
werden kann.
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Wenn
bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt gering ist, kann der
Anodengasdruckregulierabschnitt den Gasdruck an der Anodenseite
niedriger als den eingestellten Wert während des stationären Betriebs
aber innerhalb eines Bereichs einstellen, in dem die Leistung gemäß einer
Lastanforderung der Brennstoffzelle erzeugt werden kann.
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Gemäß diesem
Aufbau kann eine Minderung der Batterieleistungsfähigkeit
unterdrückt werden, während eine Leistung gemäß der
Lastanforderung erzeugt werden kann, auch wenn der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran sich verringert.
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Ferner
kann das Brennstoffzellensystem ebenso einen Wasserstoffgaszufuhrdurchgang,
der Wasserstoffgas zu einer Anode der Brennstoffzelle zuführt,
und einen Anodenauslassgasdurchgang aufweisen, der Gas, das von
der Anode der Brennstoffzelle ausgestoßen wird, zu dem
Wasserstoffgaszuführdurchgang leitet. Ebenso kann ein Abschnitt
des Wasserstoffgaszufuhrdurchgangs und des Anodenauslassgasdurchgangs
einen Rezirkulationsströmungspfad ausbilden, der Wasserstoff
zwischen Abschnitten innerhalb der Brennstoffzelle rezirkuliert, und
kann der Anodengasdruckregulierabschnitt den Druck innerhalb des
Rezirkulationsströmungspfads als den Gasdruck an der Anodenseite
einstellen.
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Gemäß diesem
Aufbau ist es in einem Brennstoffzellensystem, das Wasserstoffgas
als Brennstoffgas verwendet, möglich, eine Verminderung
der Batterieleistungsfähigkeit zu unterdrücken, wenn
der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist, während
das Wasserstoffgas effizient verwendet wird.
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Diese
Art des Brennstoffzellensystems kann ebenso einen Injektor aufweisen,
der stromaufwärts des Rezirkulationsströmungspfads
in dem Wasserstoffgaszufuhrdurchgang vorgesehen ist, und der einen
Ausstoßanschluss hat, durch den das Wasserstoffgas zu der
Seite des Rezirkulationsströmungspfads ausgestoßen
wird, und ein Ventil, das den Ausstoßanschluss selektiv öffnet
und schließt. Ebenso kann der Anodengasdruckregulierabschnitt
den Gasdruck an der Anodenseite durch Einstellen des geöffneten/geschlossenen
Zustands des Ausstoßanschlusses unter Verwendung des Ventils
einstellen.
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Gemäß diesem
Aufbau kann der Gasdruck an der Anodenseite einfach auf einen gewünschten Druck
durch Einstellen des geöffneten/geschlossenen Zustands
des Ausstoßanschlusses unter Verwendung des Ventils eingestellt
werden.
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Die
Erfindung kann ebenso durch verschiedenartige Formen neben denjenigen
verwirklicht werden, die vorstehend beschrieben sind. Beispielsweise
kann die Erfindung durch eine Form verwirklicht werden, wie z. B.
ein Verfahren zum Steuern eines Feuchtigkeitsgehalts in einer Polymerelektrolytmembran
der Polymerelektrolytbrennstoffzelle.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehend genannten und weitere Aufgaben, Merkmale sowie Vorteile
der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, wobei ähnliche Bezugszeichen verwendet
werden, um ähnliche Elemente darzustellen.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellensystems
zeigt;
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2 ist
eine Grafik, die die Beziehung zwischen einem Anodendruck und dem
Betrieb eines Injektors zeigt;
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3 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse zeigt, die nach einer Untersuchung
der Beziehung zwischen dem Anodendruck und dem Zellenwiderstand
erhalten wurden;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Routine bei niedrigem Membranfeuchtigkeitsgehalt
darstellt;
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5 ist
eine Grafik, die ein Beispiel einer Ausgangsstrom-Ausgangsspannung-Charakteristik (Ausgangsleistungscharakteristik)
zeigt; und
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6 ist
eine Schnittansicht, die ein Rahmenformat des allgemeinen Aufbaus
eines Druckverringerungsventils zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Als
nächstes werden beispielhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung in der folgenden Reihenfolge beschrieben. A: Gesamtaufbau
der Vorrichtung; B: Die Beziehung zwischen dem Anodendruck und dem
Membranwiderstand; C: Die Steuerung bei niedrigem Membranfeuchtigkeitsgehalt;
und D: Abgewandelte Beispiele.
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A: Gesamtaufbau der Vorrichtung
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1 ist
ein Blockdiagramm, das den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 als ein
beispielhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 22,
die der Hauptkörper ist, der Leistung erzeugt, einen Wasserstofftank 23,
der Wasserstoff speichert, der zu der Brennstoffzelle 22 zuzuführen
ist, und einen Luftverdichter 24 zum Zuführen verdichteter
Luft zu der Brennstoffzelle 22 auf. Die Brennstoffzelle 22 ist
eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle, die einen gestapelten
Aufbau hat, bei dem eine Vielzahl von Einheitszellen aufeinander gestapelt
ist.
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Der
Wasserstofftank 23 ist ein Wasserstoffzylinder, der beispielsweise
Hochdruckwasserstoff speichert. Alternativ kann ein Tank mit Wasserstoff absorbierender
Legierung verwendet werden, der Wasserstoff durch Absorbieren desselben
in einer Wasserstoff absorbierenden Legierung speichert, die innerhalb
des Tanks vorgesehen ist. Das Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank 23 gespeichert wird,
wird in einen Wasserstoffzufuhrdurchgang 60 abgelassen,
der mit dem Wasserstofftank 23 verbunden ist, woraufhin
es auf einen vorbestimmten Druck (insbesondere einen verringerten
Druck) durch ein Druckregulierventil 61 eingestellt wird
und dann als Brennstoffgas über einen Injektor 62 zu
einer Anode von jeder Einheitszelle zugeführt wird, die
die Brennstoffzelle 22 bilden. In diesem Zusammenhang ist das
Druckregulierventil 61 als ein einziges Ventil in 1 gezeigt.
Jedoch können so viele Druckregulierventile wie notwendig
vorgesehen werden, so dass das Wasserstoffgas, das mit einem verringerten Druck
von dem Wasserstofftank 23 zuzuführen ist, bezüglich
des Drucks auf einen gewünschten Druck verringert werden
kann und zu dem Injektor 62 zugeführt werden kann.
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Der
Injektor 62 ist eine Vorrichtung, die mit einem Ausstoßanschluss
und einem Ventil, insbesondere einem Elektromagnetventil versehen
ist, das den Ausstoßanschluss öffnet und schließt.
Der Injektor 62 injiziert Wasserstoffgas gemäß dem
Differenzialdruck, der vor und hinter dem Injektor 62 von
dem Ausstoßanschluss aufgebracht wird, wenn das Ventil offen
ist. Demgemäß kann die Menge des Wasserstoffgases,
das zu der Anodenseite zugeführt wird, gemäß der
Dauer eingestellt werden, für die das Ventil offen ist,
das in dem Injektor 62 vorgesehen ist. Insbesondere kann
die Menge des Wasserstoffgases, das injiziert wird, insbesondere
die Menge des Wasserstoffgases, das zu der Anode zugeführt
wird, durch Einstellen der Impulsbreite eines Antriebssignals, das
durch den Injektor 62 aufgenommen wird, auf einem konstanten
Zyklus, insbesondere durch Einstellen des Einschaltdauerverhältnisses
eingestellt werden, wenn das Ventil geöffnet und geschlossen
wird.
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Ein
Anodenauslassgas, das von der Anode der Brennstoffzelle 22 ausgestoßen
wird, wird zu einem Anodenauslassgasdurchgang 63 geleitet
und strömt erneut in den Wasserstoffzufuhrdurchgang 60 an
einem Ort, der stromabwärts von der Position gelegen ist,
an der der Injektor 62 angeordnet ist. Auf diesem Weg wird
jeglicher Restwasserstoff in dem Anodenauslassgas in einen Strömungspfad
rezirkuliert, der durch einen Abschnitt des Wasserstoffzufuhrdurchgangs 60 den
Anodenauslassgasdurchgang 63 und einen Strömungspfad
innerhalb der Brennstoffzelle 22 ausgebildet wird (im Folgenden wird
der ausgebildete Strömungspfad als ”Rezirkulationsströmungspfad” bezeichnet),
und wird für die elektrochemische Reaktion erneut zur Verfügung
gestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird Wasserstoff mit einer Menge entsprechend
der Menge, die durch die elektrochemische Reaktion verbraucht wurde,
in den Rezirkulationspfad von dem Wasserstofftank 23 über den
Injektor 62 hinzugefügt. Das Einschaltdauerverhältnis
des Injektors 62 wird nämlich gemäß der
Menge des Wasserstoffs eingestellt, der verbraucht wird (insbesondere
gemäß der Menge der Leistung, die erzeugt wird,
oder der Lastanforderung). Zusätzlich wird das Einschaltdauerverhältnis
des Injektors 62 auf der Grundlage des Gasdrucks innerhalb
des Rezirkulationsströmungspfads rückgeführt
geregelt (im Folgenden als ”Anodendruck” bezeichnet).
Der Anodendruck wird auf einen vorbestimmten im Wesentlichen konstanten
Wert aufrecht erhalten. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist ein Anodendrucksensor 50, der den Anodendruck erfasst,
in dem Wasserstoffzufuhrdurchgang 60 vorgesehen, der einen
Teil des Rezirkulationsströmungspfads bildet. Ebenso ist
eine Wasserstoffpumpe 65 in dem Anodenauslassgasdurchgang 63 vorgesehen,
um das Anodenauslassgas in dem Rezirkulationsströmungspfad
zu rezirkulieren.
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2 ist
eine Grafik, die die Beziehung zwischen dem Anodendruck und dem
Betrieb des Injektors 62 zeigt. Das Ventil des Injektors 62 wird
zum Öffnen und Schließen durch Ändern
der Impulsbreite mit einer konstanten Frequenz f des Antriebssignals gesteuert,
das beispielsweise das Ventil öffnet und schließt.
Wie in 2 gezeigt ist, erhöht sich der Anodendruck,
wenn das Ventil sich auf einer Position befindet, die den Ausstoßanschluss öffnet,
und verringert sich aufgrund der Tatsache, dass der Wasserstoff
in dem Rezirkulationspfad verbraucht wird, so dass Leistung erzeugt
wird, wenn das Ventil sich auf einer Position befindet, die den
Ausstoßanschluss schließt. Daher bewirkt das Öffnen
und Schließen des Ventils den Anodendruckimpuls innerhalb
eines Bereichs der Druckdifferenz von ΔP, wie in 2 gezeigt
ist. Der Anodendruck kann insgesamt auf einem gewünschten
Druck gehalten werden, während er geringfügig
pulsiert, in dem das Einschaltdauerverhältnis des Injektors 62 gesteuert
wird.
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Wenn
die Brennstoffzelle 22 stationär arbeitet, wird
der Anodendruck des Brennstoffzellensystems 10 dieses beispielhaften
Ausführungsbeispiels auf einen Wert eingestellt, der sicherstellen
kann, dass ausreichend Wasserstoff zugeführt wird, auch wenn
die Lastanforderung der Brennstoffzelle 22 schwankt, so
dass die maximale Menge des Wasserstoffs verbraucht wird, und der
das Gleichgewicht zwischen dem Gasdruck an der Kathodenseite berücksichtigt.
Während die Brennstoffzelle 22 stationär arbeitet,
ist dabei die Temperatur der Brennstoffzelle 22 ausreichend
hoch, ist der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran ausreichend
und kann die ausreichende Leistung für die Lastanforderung
durch die Brennstoffzelle 22 ohne Problem erzeugt werden.
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Ferner
ist ein Gas-Flüssig-Separator 27 in dem Anodenauslassdurchgang 63 vorgesehen. Wenn
die elektrochemische Reaktion voranschreitet, wird Wasser an der
Kathode erzeugt. Etwas Wasser bewegt sich zu der Anodenseite über
die Elektrolytmembran der Brennstoffzelle 22 und verdampft
in das Brennstoffgas. Der Gas-Flüssig-Separator 27 ist eine
Vorrichtung, die den Wasserdampf in dem Anodenauslassgas kondensiert,
wodurch sie diesen von dem Anodenauslassgas entfernt.
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Ein
Ventil 27a ist in dem Gas-Flüssig-Separator 27 vorgesehen.
Durch Öffnen dieses Ventils 27a wird das kondensierte
Wasser in dem Gas-Flüssig-Separator 27 nach außen über
einen Auslassgasausstoßdurchgang 64 ausgestoßen,
der mit dem Ventil 27a verbunden ist. Wenn das Ventil 27a offen ist,
wird ebenso etwas Anodenauslassgas, das durch den Anodenauslassgasdurchgang 63 strömt,
nach außen ausgestoßen. Auf diesem Weg ergibt
das Öffnen des Ventils 27a mit einer vorbestimmten
Zeitabstimmung, dass etwas Wasserstoff enthaltendes Gas, das rezirkuliert
wird, nach außen ausgestoßen wird, wodurch eine
Erhöhung der Verunreinigungskonzentration des Wasserstoff
enthaltenden Gases unterdrückt wird (insbesondere die Konzentration von
Stickstoff und dergleichen in der Luft, die als Oxidationsgas dient,
der sich durch die Elektrolytmembran zu der Anodenseite bewegt hat).
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Dabei
ist der Auslassgasausstoßdurchgang 64 mit einem
Lösungstank 26 verbunden, der ein Behälter
ist, der eine größere Querschnittsfläche
als der Auslassgasausstoßdurchgang 24 hat. Der
Lösungstank 26 ist vorgesehen, um den Wasserstoff
in dem Anodenauslassgas mit dem Kathodenauslassgas zu lösen,
bevor das Anodenauslassgas nach außen ausgestoßen
wird.
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Ein
Luftverdichter 24 beaufschlagt die Luft, die von außen über
einen Luftreiniger 28 gesaugt wird, mit Druck und führt
diese druckbeaufschlagte Luft zu der Kathode der Brennstoffzelle 22 als
Oxidationsgas über einen Oxidationsgaszufuhrdurchgang 67 zu.
Das Kathodenauslassgas, das von der Kathode ausgestoßen
wird, wird durch einen Kathodenauslassgasdurchgang 68 geleitet,
so dass dieses nach außen ausgestoßen wird. Dabei
treten der Oxidationsgaszufuhrdurchgang 67 und der Kathodenauslassgasdurchgang 68 beide
durch ein Befeuchtungsmodul 25 hindurch. In dem Befeuchtungsmodul werden
der Oxidationsgaszufuhrdurchgang 67 und der Kathodenauslassgasdurchgang 68 durch
eine wasserdampfpermeable Membran getrennt und druckbeaufschlagte
Luft, die zu der Kathode zugeführt wird, wird unter Verwendung
des Wasserdampf enthaltenden Kathodenauslassgases befeuchtet. Ebenso
tritt der Kathodenauslassgasdurchgang 68 durch den Lösungstank 26 hindurch,
bevor er das Kathodenauslassgas nach außen leitet. In dem
Lösungstank 26 mischt sich das Kathodenauslassgas mit
dem Anodenauslassgas, das durch den Auslassgasausstoßdurchgang 64 strömt,
löst dieses und wird dann nach außen ausgestoßen.
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Innerhalb
der Brennstoffzelle 22 ist ebenso ein Kühlmittelströmungspfad
vorgesehen, der nicht gezeigt ist, durch den ein Kühlmittelgas
zirkuliert. Die Innentemperatur der Brennstoffzelle 22 kann
innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs durch Zirkulieren
des Kühlmittels zwischen dem Kühlmittelströmungspfad,
der in der Brennstoffzelle 22 ausgebildet ist, und einem
Wärmetauscher gehalten werden, der nicht gezeigt ist. Dabei
ist ein Temperatursensor 62, der die Temperatur des Kühlmittels
an einem Kühlmittelauslass erfasst (im Folgenden als ”Kühlmittelauslasstemperatur” bezeichnet),
in der Nähe eines Abschnitts vorgesehen, an dem der Kühlmittelströmungspfad
in der Brennstoffzelle 22 vorhanden ist. Dieser Temperatursensor
dient als Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur innerhalb
der Brennstoffzelle 22. Außerdem kann ein Sensor,
der ein anderer als derjenige ist, der die Kühlmittelauslasstemperatur
erfasst, wie z. B. ein Thermoelement, das die Temperatur der Brennstoffzelle 22 direkt
erfasst, stattdessen vorgesehen werden, um die Innentemperatur der
Brennstoffzelle zu erfassen. Ebenso ist ein Spannungssensor 54 zum
Erfassen einer Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 22 in
dem Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen.
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Darüber
hinaus weist das Brennstoffzellensystem 10 einen Steuerabschnitt 70 auf,
der den Betrieb von jedem Abschnitt des Brennstoffzellensystems
steuert. Dieser Steuerabschnitt 70 ist als theoretischer
Schaltkreis aufgebaut, der um einen Mikrocomputer angeordnet ist.
Genauer gesagt weist der Steuerabschnitt 70 beispielsweise
eine CPU 74, die vorbestimmte Berechnungen und dergleichen
gemäß voreingestellten Steuerprogrammen ausführt, einen
ROM 75, in dem Steuerprogramme und Steuerdaten und dergleichen,
die notwendig sind, damit die CPU 74 die verschiedenartigen
Berechnungen und Prozesse ausführt, im Voraus gespeichert
wurden, einen RAM 76, in dem verschiedenartige Daten, die
notwendig sind, damit die CPU 74 die verschiedenartigen
Berechnungen und Prozesse ausführt, zeitweilig geschrieben
werden, und einen Eingabe-/Ausgabeanschluss 78 auf, der
verschiedenartige Signale eingibt und abgibt. Dieser Steuerabschnitt 70 erhält
beispielsweise Verfassungssignale von verschiedenartigen Signalen
(wie z. B. des Anodendrucksensors 50, des Temperatursensors 52 und
des Spannungssensors 54), die in dem Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen
sind, und Informationen, die sich auf die Lastanforderung mit Bezug
auf die Brennstoffzelle 22 beziehen, und dergleichen. Der Steuerabschnitt 70 gibt
ebenso Antriebssignale an verschiedenartige Abschnitte ab, die sich
auf die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 22 beziehen,
wie z. B. den Injektor 62, den Luftverdichter 24,
die Wasserstoffpumpe 65 und das Ventil 27a und dergleichen,
die in dem Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen sind.
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B: Die Beziehung zwischen dem Anodendruck
und dem Membranwiderstand
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Wenn
der Feuchtigkeitsgehalt in der Polymerelektrolytmembran gering ist,
führt das Brennstoffzellensystem 10 dieses beispielhaften
Ausführungsbeispiels eine Steuerung durch, die den Anodendruck
auf einen Wert einstellt, der von dem Wert verschieden ist, auf
den er während des stationären Betriebs eingestellt
wird, um eine Verminderung einer Batterieleistungsfähigkeit
aufgrund des geringen Feuchtigkeitsgehalts zu unterdrücken.
Vor der Beschreibung dieser Art der Steuerung in dem Brennstoffzellensystem 10 des
beispielhaften Ausführungsbeispiels wird die Beziehung
zwischen dem Innenwiderstand der Brennstoffzelle (insbesondere dem
Zellenwiderstand) und dem Anodendruck nachstehend beschrieben.
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3 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse zeigt, die nach dem Untersuchen der
Beziehung zwischen dem Anodendruck, dem Zellenwiderstand und der
Zellenspannung erhalten wurden. Dabei wurde eine Einheitszelle als
Brennstoffzelle verwendet und wurde Wasserstoffgas, das als Brennstoffgas
diente, nicht zirkuliert. Ebenso wurde der Druck des Wasserstoffgases,
das zu der Anodenseite zugeführt wurde (insbesondere der
Anodendruck) graduell geändert, während die Einheitszelle
mit einer konstanten Last verbunden wurde, insbesondere während
der Ausgangsstromwert auf einem konstanten Wert gehalten wurde,
und wurde der Zellenwiderstand und die Zellenspannung gemessen.
Ebenso wurde Luft als Oxidationsgas verwendet, das zu der Kathode
zugeführt wurde. Der Druck der Luft, die durch den Oxidationsgasströmungspfad
in der Brennstoffzelle strömt, insbesondere der Kathodendruck
war konstant. Ebenso war ein Kühlmittelströmungspfad,
durch den druckbeaufschlagtes Wasser, das als das Kühlmittel
diente, in der Einheitszelle vorgesehen und wurde die Temperatur
innerhalb der Einheitszelle im Wesentlichen durch Einstellen der
Kühlmittelauslasstemperatur konstant gehalten. Ebenso war
die Bedingung zum Befeuchten des Brennstoffgases und des Oxidationsgases,
dass der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran niedrig war,
wenn der Anodendruck auf einen Druck eingestellt ist, der mit dem
Kathodendruck im Gleichgewicht steht.
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Dabei
umfasst der Innenwiderstand der Brennstoffzelle einen Widerstand,
der durch einen Kontaktwiderstand zwischen Bauteilen der Brennstoffzelle
verursacht wird, und einen Widerstand, der jedem Bauteil der Brennstoffzelle
inhärent ist. Obwohl es schwierig ist, diese diskreten
Widerstände zu erfassen, kann von den beiden der Widerstand
der Elektrolytmembran (insbesondere der Membranwiderstand), dessen
Wert als Reaktion auf eine Änderung des Feuchtigkeitsgehalts
schwankt, sich in hohem Maße gemäß dem
Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle ändern,
während die Brennstoffzelle Leistung erzeugt. Der Wert
dieses Membranwiderstands erhöht sich, wenn der Feuchtigkeitsgehalt
der Elektrolytmembran sich verringert und die Protonenleitfähigkeit
der Elektrolytmembran abfällt. Daher wird in den in 3 gezeigten
Ergebnissen die Zunahme des Membranwiderstands, die durch die Verringerung
des Feuchtigkeitsgehalts in der Elektrolytmembran verursacht wird,
als Zunahme des Innenwiderstands der Brennstoffzelle 22 erfasst.
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Der
Zellenwiderstand, der der Innenwiderstand der Brennstoffzelle ist,
wird gemäß dem Wechselstromimpedanzverfahren (AC-Impedanzverfahren)
erhalten. Ein kleiner AC-Konstantstrom mit einer relativ hohen Frequenz
(wie z. B. 10 kHz wird auf die Einheitszelle aufgebracht. Die AC-Komponente,
die durch den AC-Strom verursacht wird, wird von der Ausgangsspannung
unter Verwendung eines Filters (eines Kondensators) getrennt und
die AC-Impedanz, die der Spannungswert der AC-Komponente ist, wird
als Zellenwiderstand erhalten.
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Wie
in 3 gezeigt ist, verringert sich der Zellenwiderstand
der Einheitszelle und erhöht sich der Zellendruck, wenn
der Anodendruck verringert wird.
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Es
wird angenommen, dass diese Verringerung des Zellenwiderstands,
die durch die Verringerung des Anodendrucks herbeigeführt
wird, an einer Zunahme des Differenzialdrucks zwischen dem Anodendruck
und dem Kathodendruck liegt, der durch den Anodendruck verursacht
wird, der so verringert wird, dass dieser viel geringer als der
Kathodendruck ist. Die Erhöhung des Differenzialdrucks
zwischen dem Anodendruck und dem Kathodendruck treibt nämlich
eine Verschiebung des Wassers in der Elektrolytmembran von der Kathodenseite,
an der das Wasser erzeugt wird, zu der Anodenseite voran, was den
Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran schließlich
erhöht. Es wird angenommen, dass das den Membranwiderstand
verringert.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist von den in 3 gezeigten
Ergebnissen bekannt, dass die Verringerung des Anodendrucks den
Zellenwiderstand verringern kann und die Zellenspannung erhöhen
kann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering
ist. Wenn insbesondere die Brennstoffzelle unter Verwendung von
Wasserstoffgas als Brennstoffgas betrieben wird, wird der Anodendruck
unter Berücksichtigung des Gleichgewichts mit dem Gasdruck
an der Kathodenseite eingestellt, zu der Luft mit einer relativ
niedrigen Sauerstoffkonzentration zugeführt wird. Daher
ist der Anodendruck im Vergleich mit dem Wert, der zum Erhalten
der erwünschten Leistung notwendig ist, sehr übermäßig. Die
Verringerung des Anodendrucks innerhalb eines Bereichs, der ausreichend
zum Erzeugen der Leistung gemäß der Lastanforderung
ist, ermöglicht, dass der Zellenwiderstand verringert wird
und die Zellenspannung erhöht wird, während die
erwünschte Leistung erhalten wird, wenn die Brennstoffzelle mit
dem übermäßigen Anodendruck auf diesem
Weg betrieben wird. In Anwendung dieser Erkenntnis kann die Batterieleistung
in dem Brennstoffzellensystem 10 dieses beispielhaften
Ausführungsbeispiels durch Durchführen einer Steuerung
zum Verringern des Anodendrucks aufrecht erhalten werden, wenn der
Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist.
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C: Steuerung für niedrigen Membranfeuchtigkeitsgehalt
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Routine für niedrigen Membranfeuchtigkeitsgehalt,
insbesondere eine Routine darstellt, die auszuführen ist, wenn
der Feuchtigkeitsgehalt in der Membran niedrig ist, die in der CPU 74 des
Steuerabschnitts 70 ausgeführt wird, der in dem
Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen ist. Diese Routine
wird wiederholt mit vorbestimmten Intervallen ausgeführt,
während durch die Brennstoffzelle 22 Leistung
erzeugt wird.
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Wenn
die Routine beginnt, bestimmt die CPU 74 zuerst, ob die
Brennstoffzelle 22 eine vorbestimmte Bedingung niedriger
Temperatur erfüllt (Schritt S100). Die Bestimmung, ob die
Brennstoffzelle 22 die vorbestimmte Bedingung niedriger
Temperatur erfüllt, in Schritt S100 kann aufgrund der Tatsache
vorgenommen werden, ob die Gasströmung durch flüssiges
Wasser, das in der Brennstoffzelle durch einen Abfall der Innentemperatur
der Brennstoffzelle erzeugt wird (sogenannte Flutung) behindert
werden kann. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel
wird bestimmt, dass die Brennstoffzelle 22 die vorbestimmte
Bedingung niedriger Temperatur erfüllt, wenn die Innentemperatur
80°C oder niedriger ist, nämlich unter Verwendung
der Temperatur, die durch den Temperatursensor 52 als Innentemperatur der
Brennstoffzelle 22 erfasst wird.
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Wenn
in Schritt S100 bestimmt wird, dass die vorbestimmte Bedingung niedriger
Temperatur nicht erfüllt ist, bestimmt die CPU 74 dann,
ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist, nämlich
auf der Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 22 (Schritt
S110). Genauer gesagt wird ein Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle 22,
der durch den Spannungssensor 54 erfasst wird, erhalten
und wird ein Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle 22,
der durch einen Stromsensor (nicht gezeigt) erfasst wird, ebenso
erhalten. Typischerweise wird in einer Brennstoffzelle, die stationär arbeitet,
ein Ausgangsspannungswert primär gemäß dem
Ausgangsstromwert bestimmt. Es gibt eine zusammenhängende
Beziehung zwischen dem Ausgangsstromwert und dem Ausgangsspannungswert. 5 ist
eine Grafik, die ein Beispiel einer solchen Ausgangsstrom-Ausgangsspannung-Charakteristik (Ausgangsleistungscharakteristik)
zeigt. Der Steuerabschnitt 70 in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel
speichert die Ausgangsleistungscharakteristik, wenn die Brennstoffzelle 22 stationär
arbeitet. In Schritt S110 erhält die CPU 74 einen
Referenzspannungswert (VA), der ein Referenzwert
des Ausgangsspannungswerts während des stationären
Betriebs ist, nämlich auf der Grundlage des erhaltenen
Ausgangsstroms (IA) und der gespeicherten
Ausgangsleistungscharakteristik. Dann wird der Erfassungswert des
Ausgangsspannungswerts, der von dem Spannungssensor 54 erhalten
wurde, mit diesem erhaltenen Referenzspannungswert verglichen. Wenn der
Wert, der tatsächlich erfasst wird, um einen vorbestimmten
Prozentanteil oder mehr geringer als der Referenzspannungswert ist,
wird bestimmt, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist.
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Hier
ist Schritt S100 ein Schritt, der durchgeführt wird, um
zu verhindern, dass in Schritt S110 bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran gering ist, nämlich trotz der
Tatsache, dass die Bedingungen derart sind, dass es unmöglich ist,
dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist.
In Schritt S110 dieses beispielhaften Ausführungsbeispiels
wird die Bestimmung, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering
ist, auf der Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 22 vorgenommen.
Das verwendet die Eigenschaft, bei der der Widerstandswert der Elektrolytmembran
zunimmt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich verringert,
wenn der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran gering ist. Jedoch
kann ein Abfall der Ausgangsspannung nicht nur dann erkannt werden,
wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist,
sondern ebenso, wenn ein Fluten auftritt. Daher wird in diesem beispielhaften
Ausführungsbeispiel, ein Fall, in dem die Brennstoffzelle 22 die
Bedingung niedriger Temperatur erfüllt, in dem ein Fluten
auftreten kann, in Schritt S100 vor Schritt S110 beseitigt, um zu
verhindern, dass bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt in
der Elektrolytmembran gering ist, obwohl ein Fluten tatsächlich
auftritt, wenn die Ausgangsspannung niedrig ist. Wenn die Schritte
S100 und S110 ausgeführt werden, funktioniert die CPU 74 des Steuerabschnitts 70 auf
diesem Weg als Bestimmungsabschnitt für niedrigen Feuchtigkeitsgehalt, der
bestimmt, ob der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran gering
ist.
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Wenn
in Schritt S110 bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der
Elektrolytmembran gering ist, führt die CPU 74 eine
Steuerung durch, um den eingestellten Wert des Anodendrucks zu verringern (Schritt
S120), worauf dieser Zyklus der Routine endet. Wie vorstehend beschrieben
ist, wird dann, wenn die Brennstoffzelle 22 stationär
arbeitet, der Anodendruck auf einen konstanten Wert eingestellt,
der sicherstellen kann, dass ausreichend Wasserstoff zugeführt
werden kann, auch wenn die Lastanforderung der Brennstoffzelle 22 schwankt,
so dass die maximale Menge des Wasserstoffs verbraucht wird, und
der das Gleichgewicht zwischen dem Gasdruck an der Kathodenseite
berücksichtigt. In Schritt S120 wird die CPU 74 eine
Steuerung zum Einstellen des Anodendrucks auf einen Wert durch,
der ausreichend zum Erzeugen von Leistung gemäß der
Lastanforderung ist und der niedriger als der Wert ist, auf den
er während des stationären Betriebs eingestellt
wird (insbesondere der eingestellte Wert). Genauer gesagt wird die
Steuerung zum Einstellen des Anodendrucks auf einen noch niedrigeren
Wert durch Einstellen des Einschaltdauerverhältnisses des
Injektors 62 durchgeführt, so dass der Erfassungswert
von dem Anodendrucksensor 50 ein vorbestimmter Wert wird,
der niedriger als der Wert während des stationären
Betriebs ist, in dem ein Antriebssignal von dem Steuerabschnitt 70 zu
dem Injektor 62 abgegeben wird.
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Wenn
Schritt S120 auf diesem Weg ausgeführt wird, funktioniert
die CPU 74 als Anodengasdruckregulierabschnitt, der den
Anodendruck niedriger als den Anodendruck während des stationären Betriebs
einstellt.
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Wenn
in diesem Zusammenhang in Schritt S100 bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 22 die vorbestimmte
Bedingung niedriger Temperatur erfüllt, ist der Sättigungsdampfdruck
in dem Gasströmungspfad in der Brennstoffzelle gering und
wird unterbunden, dass die Feuchtigkeit von der Elektrolytmembran
zu dem Brennstoffgas und dem Oxidationsgas verdampft. Es wird somit
angenommen, dass es extrem unwahrscheinlich ist, dass die Elektrolytmembran
einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt zu diesem Zeitpunkt haben könnte.
Daher schreitet der Prozess zu Schritt S130 voran, bei dem die CPU 74 den
Anodendruck gemäß der Steuerung steuert, die ausgeführt
wird, wenn die Brennstoffzelle 22 stationär arbeitet
(insbesondere die Steuerung des stationären Betriebs),
woraufhin dieser Zyklus der Routine endet. Wenn in Schritt S110
bestimmt wird, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
nicht gering ist, schreitet in ähnlicher Weise der Prozess ebenso
zu Schritt S130 voran, bei dem die CPU 74 die Steuerung
des stationären Betriebs durchführt, woraufhin
der Zyklus der Routine endet. Auf diesem Weg wird durch wiederholtes
Ausführen der Routine für niedrigen Membranfeuchtigkeitsgehalt,
die in 4 gezeigt ist, die Steuerung zum Verringern des Anodendrucks
durchgeführt, wenn der Membranfeuchtigkeitsgehalt niedrig
ist, und wird die normale Steuerung wieder aufgenommen, wenn der
Membranfeuchtigkeitsgehalt zurückgestellt ist, nachdem die
Steuerung zum Verringern des Anodendrucks beginnt.
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Gemäß dem
Brennstoffzellensystem 10, das so aufgebaut ist, wie vorstehend
beschrieben ist, wird dann, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der
Elektrolytmembran gering ist, der Anodendruck verringert, was den
Widerstandswert der Elektrolytmembran verringert, und ermöglicht
es somit, dass ein Abfall der Ausgangsspannung, der durch einen
niedrigen Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran verursacht
wird, unterdrückt wird. Auch wenn daher der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran gering ist, ist es noch möglich,
die gewünschte Leistung weiterhin zu erzeugen, während
eine ausreichende Ausgangsspannung aufrecht erhalten wird, und ist
es möglich, eine Minderung der Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle 22 zu unterdrücken. Ferner
kann der Anodendruck ohne Erhöhen des Energieverbrauchs verringert
werden, so dass eine Verminderung der Batterieleistungsfähigkeit,
die durch einen niedrigen Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
verursacht wird, ohne Verringern der Energieeffizienz unterdrückt
werden kann.
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Insbesondere
ist das Brennstoffzellensystem 10 dieses beispielhaften
Ausführungsbeispiels ein Aufbau, der mit einem Rezirkulationsströmungspfad versehen
ist, der als Gasströmungspfad an der Anodenseite dient,
und der Wasserstoffgas mit einem hohen Druck zirkuliert, um den
Gasdruck des Oxidationsgases durch den Rezirkulationsströmungspfad auszugleichen.
Daher ist es möglich, den Anodendruck in einem Bereich,
der zum Erzeugen von Leistung gemäß der Lastanforderung
ausreichend ist, einfach zu verringern.
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Ebenso
wird in diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Anodendruck
durch das Einschaltdauerverhältnis eingestellt, wenn das
Ventil den Ausstoßanschluss des Injektors 62 öffnet
und schließt. Daher kann der Anodendruck einfach auf dem
gewünschten Wert durch den einfachen Betrieb zum Steuern
des Ventils auf eine geöffnete und geschlossene Position
gesteuert werden. In diesem Zusammenhang kann zum Einstellen des
Anodendrucks der geöffnete/geschlossene Zustand des Ausstoßanschlusses
durch das Ventil gemäß einem Verfahren eingestellt
werden, das ein anderes als das Verfahren zum Ändern der
Dauer ist, während der das Ventil offen ist, und der Dauer,
während der das Ventil geschlossen ist, wie es der Fall
ist, wenn das Einschaltdauerverhältnis eingestellt wird.
Beispielsweise kann der Anodendruck durch Einstellen des Öffnungsbetrags
des Ventils eingestellt werden.
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Wenn
ferner in Schritt S110 bestimmt wird, ob der Feuchtigkeitsgehalt
gering ist, nämlich auf der Grundlage des Ausgangsspannungswerts,
wird eine Hysterese vorzugsweise für den Referenzwert des Ausgangsspannungswerts
vorgesehen. Die Bestimmung in Schritt S110 wird nämlich
unterschiedlich in Abhängigkeit von den Umständen
vorgenommen. In einem ersten Fall wird bestimmt, ob der Feuchtigkeitsgehalt
gering wurde, wenn die Steuerung des stationären Betriebs
gerade durchgeführt wird. In einem zweiten Fall wird bestimmt,
ob der Feuchtigkeitsgehalt sich wiederhergestellt hat, insbesondere nicht
mehr gering ist, während die Anodendruckverringerungssteuerung
gerade durchgeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist es vorzuziehen,
dass der Referenzspannungswert, der in dem ersten Fall verwendet
wird, niedriger als der Referenzspannungswert eingestellt wird,
der in dem zweiten Fall verwendet wird, so dass Klappern verhindert
werden kann und die Stabilität des Umschaltbetriebs der
Steuerung verbessert werden kann, die sich auf den Anodendruck bezieht.
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Ebenso
kann anstelle der Änderung des eingestellten Werts des
Anodendrucks auf einen einzigen Wert, der geringer als der Anodendruck
ist, der während des stationären Betriebs eingestellt
wird, die Anodendruckverringerungssteuerung anders aufgebaut werden.
Wenn nämlich der Ausgangsspannungswert sich nicht ausreichend
wiederherstellt, obwohl die Anodendruckverringerungssteuerung in Schritt
S120 durchgeführt wird, kann der eingestellte Wert des
Anodendrucks auf einen gleichmäßigen geringeren
Wert in Schritt S120 geändert werden, wenn die Routine
für niedrigen Membranfeuchtigkeitsgehalt das nächste
Mal ausgeführt wird. Wie es in 2 gezeigt
ist, kann die Spannungswiederherstellungswirkung verbessert werden,
wenn der Anodendruck noch weiter verringert wird. Dabei kann eine
Verminderung der Batterieleistungsfähigkeit ohne Unterbinden
der Ausgangsleistung mit Bezug auf die Lastanforderung unterdrückt
werden, solange der Wert des Anodendrucks, der noch niedriger eingestellt
wurde, innerhalb eines Bereichs liegt, in dem die gewünschte
Leistung erhalten werden kann, auch wenn die Lastanforderung schwankt.
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D: Abgewandelte Beispiele
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Die
Erfindung ist nicht auf die Details der dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern kann mit verschiedenartigen Änderungen,
Abwandlungen oder Verbesserungen ohne Abweichen von dem Grundgedanken
und Anwendungsbereich der Erfindung ausgeführt werden.
Beispielsweise sind die folgenden abgewandelten Beispiele ebenso
möglich.
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D1: Erstes abgewandeltes Beispiel
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In
dem vorstehend genannten beispielhaften Ausführungsbeispiel
wird die Bestimmung mit Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt in der
Elektrolytmembran in Schritt S110 in 4 auf der
Grundlage des Ausgangsspannungswerts der Brennstoffzelle 22 nach
dem Ausschließen eines Falls vorgenommen, in dem ein Fluten
in Schritt S100 in 4 auftreten kann. Alternativ
kann die Bestimmung ebenso auf einer anderen Basis vorgenommen werden.
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Beispielsweise
kann anstelle der Schritte S100 und S110 die Bestimmung, ob der
Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist, auf der
Grundlage der Innentemperatur der Brennstoffzelle 22 vorgenommen
werden. In Schritt S100 wird bestimmt, dass die Brennstoffzelle 22 sich
in einem vorbestimmten Zustand niedriger Temperatur befindet, wenn
die Innentemperatur der Brennstoffzelle 22 80°C
oder niedriger ist, so dass ein Fluten beseitigt werden kann. Dagegen
kann bestimmt werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, wenn die Innentemperatur der Brennstoffzelle 22 eine
Temperatur ist, bei der es denkbar ist, dass der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran durch den erhöhten gesättigten
Dampfdruck niedrig werden würde, wie z. B. 90°C
oder darüber. Mit diesem Aufbau ist es möglich,
einfach zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran niedrig
ist, indem ein einfaches Verfahren zum Erfassen einer Temperatur,
wie z. B. der Kühlmitteltemperatur verwendet wird, die
die Innentemperatur der Brennstoffzelle 22 wiedergibt.
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D2: Zweites abgewandeltes Beispiel
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Alternativ
kann anstelle der Schritte S100 und S110 die Bestimmung, ob der
Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist, auf der Grundlage
des Membranwiderstands der Elektrolytmembran vorgenommen werden.
Wenn der Membranfeuchtigkeitsgehalt abfällt, wie vorstehend
beschrieben ist, erhöht sich der Membranwiderstand der
Elektrolytmembran. Wenn daher der Membranwiderstand auf einen vorbestimmten
Wert oder darüber ansteigt, kann bestimmt werden, dass
der Feuchtigkeitsgehalt gering ist. Jedoch ist das Erfassen des Membranwiderstands
selbst schwierig. Von dem Innenwiderstand der Brennstoffzelle 22 ändert
sich der Membranwiderstand in hohem Maße in Abhängigkeit von
der Leistungserzeugungsbedingung. Daher kann die Bestimmung durch
Erhalten des Innenwiderstands der Brennstoffzelle 22 vorgenommen
werden. Der Innenwiderstand der Brennstoffzelle 22 kann durch
das AC-Impedanzverfahren erhalten werden, das beispielsweise vorstehend
beschrieben ist. Wenn der Wert der AC-Impedanz gleich wie oder größer
als ein vorbestimmter Referenzwert ist, kann bestimmt werden, dass
der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran gering ist. Gemäß diesem
Aufbau ist es möglich, genau zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran niedrig ist, nämlich auf der Grundlage
des Membranwiderstands.
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D3: Drittes abgewandeltes Beispiel
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Es
ist ebenso möglich, zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran niedrig ist, auf der Grundlage eines Abfalls
des Drucks des Oxidationsgases, das zu der Kathode zugeführt
wird (insbesondere auf der Grundlage eines Kathodendruckabfalls).
Ein Drucksensor nämlich, der den Druck des Oxidationsgases
erfasst, ist sowohl in dem Oxidationsgaszufuhrdurchgang 67 als
auch dem Kathodenauslassgasdurchgang 68 vorgesehen, und der
Kathodendruckabfall, der die Differenz zwischen den zwei Erfassungswerten
ist, wird erhalten. Wenn der erhaltene Kathodendruckabfall geringer
als ein vorbestimmter Wert ist, kann bestimmt werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran gering ist. Das liegt daran, dass dann,
wenn der Membranfeuchtigkeitsgehalt niedrig ist, nicht viel flüssiges Wasser
in dem Oxidationsgasströmungspfad vorliegt, so dass die
Oxidationsgasströmung durch das flüssige Wasser
nicht stark behindert wird, und daher der Druckabfall sich verringert.
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Genauer
gesagt kann ein Gasdurchflussmessgerät ebenso in dem Oxidationsgaszufuhrdurchgang 67 des
Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen werden. Ebenso kann
der Kathodendruckabfall, der als Referenz zum Bestimmen verwendet wird,
ob der Membranfeuchtigkeitsgehalt gering ist, im Voraus für
jede Oxidationsgasdurchflussrate durch Messen des Kathodendruckabfalls
gemäß der Durchflussrate des Oxidationsgases im
Voraus eingestellt werden, während die Feuchtigkeit des
zu der Brennstoffzelle zugeführten Gases geändert
wird, und kann dieser Kathodendruckabfall in dem Steuerabschnitt 70 als
Kennfeld gespeichert werden.
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Durch
Erfassen der Durchflussrate des Oxidationsgases unter Verwendung
des Gasdurchflussmessgeräts und Referenzbildung des Kennfelds kann
ein Referenzwert des Kathodendruckabfalls der Oxidationsgasdurchflussrate
erhalten werden und kann dieser erhaltene Referenzwert des Druckabfalls dann
mit dem Kathodendruckabfall verglichen werden, der aus dem Erfassungswert
von dem Drucksensor erhalten wird. Wenn der erfasste Kathodendruckabfall
gleich wie oder geringer als der Referenzwert des Druckabfalls ist,
der von der Gasdurchflussrate erhalten wird, kann bestimmt werden,
dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist.
In diesem Zusammenhang kann die Gasdurchflussrate des Oxidationsgases
auch nicht direkt durch Bereitstellen eines Durchflussratensensors
erfasst werden, sondern ebenso unter Verwendung eines geschätzten
Werts geschätzt werden. Die Oxidationsgasdurchflussrate
kann auf der Grundlage von beispielsweise dem Druck und der Temperatur
der in den Luftverdichter 24 gesaugten Luft als Oxidationsgas
und der Drehzahl des Luftverdichters 24 geschätzt
werden. Gemäß diesem Ausbau ist es möglich
zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
niedrig ist, nämlich gemäß einem einfachen
Verfahren, ohne dass der Membranwiderstand direkt erfasst werden
muss.
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D4: Viertes abgewandeltes Beispiel
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In ähnlicher
Weise kann die Bestimmung, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, auf der Grundlage eines Abfalls eines Drucks des Brennstoffgases
vorgenommen werden, dass zu der Anode zugeführt wird (insbesondere
auf der Grundlage eines Anodendruckabfalls). Ein Drucksensor nämlich,
der den Druck des Brennstoffgases erfasst, ist sowohl in dem Wasserstoffzufuhrdurchgang 60 als
auch dem Anodenauslassdurchgang 68 vorgesehen, und der
Anodendruckabfall, der die Differenz zwischen den zwei Erfassungswerten
ist, wird erhalten. Wenn der erhaltene Anodendruckabfall geringer
als ein vorbestimmter Wert ist, kann bestimmt werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran gering ist. Dabei wird der Anodendruckabfall
ein Wert, der nicht nur durch die Menge flüssigen Wassers
in dem Brennstoffgasströmungsdurchgang beeinträchtigt
wird, sondern der ebenso auf der Menge des Wasserstoffs beruht,
der durch die Erzeugung der Leistung verbraucht wird. Die Menge
des Wasserstoffs, der durch die Erzeugung der Leistung verbraucht
wird, kann auf der Grundlage eines integrierten Werts eines Ausgangsstroms
berechnet werden, der durch ein Amperemeter erfasst wird, dass zum
Erfassen das Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 22 vorgesehen
ist. In dem Steuerabschnitt 70 des Brennstoffzellensystems 10 kann
der Anodendruckabfall, der als Referenz zum Bestimmen dient, ob
der Membranfeuchtigkeitsgehalt gering ist, im Voraus durch Messen
des Anodendruckabfalls gemäß dem integrierten
Wert des Ausgangsstroms (insbesondere des Betrags des verbrauchten
Wasserstoffs) im Voraus eingestellt werden, während die
Feuchtigkeit des zu der Brennstoffzelle zugeführten Gases geändert
wird, und kann der Anodendruckabfall im Voraus als Kennfeld gespeichert
werden. Ein Referenzwert des Anodendruckabfalls wird auf der Grundlage
des integrierten Werts des Ausgangsstroms, der unter Verwendung
des Amperemeters erfasst wird, und des Kennfelds erhalten. Dieser
Referenzwert des Druckabfalls wird dann mit dem Erfassungswert des
Anodendruckabfalls von dem Drucksensor verglichen. Wenn der erfasste
Anodendruckabfall gleich wie oder geringer als der Referenzwert ist,
kann bestimmt werden, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist. In diesem Fall ist es ebenso möglich zu bestimmen,
ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist,
nämlich durch ein einfaches Verfahren ohne dass der Membranwiderstand
direkt gemessen werden muss.
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D5: Fünftes abgewandeltes Beispiel
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Alternativ
kann die Bestimmung, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, durch Berechnen der Menge der Feuchtigkeit in dem Oxidationsgas,
das zu der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird,
der Menge des Wassers, das in der Brennstoffzelle als Ergebnis der
Erzeugung von Leistung erzeugt wird, und der Menge des Wasserdampfs
in dem Auslassgas (insbesondere des Ablaufvolumens) und durch Berechnen
der Wasserbilanz in der Brennstoffzelle 22 vorgenommen
werden.
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Das
Oxidationsgas wird in dem Befeuchtungsmodul 25 unter Verwendung
des Kathodenauslassgases befeuchtet, wie vorstehend beschrieben ist.
Die Befeuchtungseffizienz dieses Befeuchtungsmoduls 25 ist
ein Wert, der gemäß dem Druck und der Temperatur
des Oxidationsgases eingestellt wird, das zu befeuchten ist, oder
dem Druck und der Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases, das zum Befeuchten
verwendet wird. Daher kann der Befeuchtungsbetrag des Oxidationsgases
im Voraus gemäß Parametern erhalten werden, wie
z. B. dem Druck und der Temperatur des Oxidationsgases, das zu befeuchten
ist, oder dem Druck und der Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases,
das zum Befeuchten verwendet wird, und wird in den Steuerabschnitt 70 als
Kennfeld gespeichert. Demgemäß kann der Befeuchtungsbetrag
des Oxidationsgases durch Erfassen der Parameter unter Verwendung
von Sensoren und Bezugnahme auf das Kennfeld erhalten werden.
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Die
Menge des Wassers, das als Folge der Erzeugung von Leistung erzeugt
wird, kann theoretisch gemäß der Menge der erzeugten
Leistung berechnet werden. Daher kann ein Amperemeter, das den Ausgangsstrom
von der Brennstoffzelle 22 erfasst, in dem Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen werden
und kann die Menge des Wassers, das erzeugt wird, auf der Grundlage
des Erfassungswerts von diesem Amperemeter berechnet werden.
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Ein
Gasdurchflussratensensor, ein Gastemperatursensor und ein Gasdrucksensor
können in dem Kathodenauslassdurchgang 68 vorgesehen werden,
und die Menge des Wasserdampfs in dem Kathodenauslassgas kann durch
Erfassen der Durchflussrate, der Temperatur und des Drucks des Kathodenauslassgases berechnet
werden. In diesem Fall wird der Dampfdruck in dem Kathodenauslassgas
als gesättigter Dampfdruck berechnet. In diesem Zusammenhang ändert
sich die Menge der Feuchtigkeit, die von dem Ventil 27a des
Gas-Flüssig-Separators 27 ausgestoßen
wird, nicht sehr, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
sich ändert, und wird daher ignoriert, wenn das Ablaufvolumen
berechnet wird. Alternativ kann jedoch das Ablaufvolumen unter Berücksichtigung
der Feuchtigkeit berechnet werden.
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Auf
diesem Weg ist es möglich, zu bestimmen, dass der Feuchtigkeitsgehalt
der Elektrolytmembran gering ist, wenn der Ausdruck (1), der nachstehend
angegeben ist, verwirklicht ist, wenn die Oxidationsgasbefeuchtungsmenge,
die Menge des erzeugten Wassers und das Ablaufvolumen berechnet
werden. (Ablaufvolumen) > (Befeuchtungsbetrag
+ Menge des erzeugten Wassers)·C (1)
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In
diesem Zusammenhang ist die Konstante C ein Wert, der die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle hinsichtlich der Tatsache darstellt, ob die
Brennstoffzelle Leistung erzeugen kann, ungeachtet der Tatsache,
wie sehr der Feuchtigkeitsgehalt der Membran abfällt, und
kann für jede Brennstoffzelle eingestellt werden. Diese
Konstante C kann auf einen Wert von größer als
1 eingestellt werden. Gemäß dem Ausdruck (1) verringert
sich dann, wenn die Konstante C größer als 1 ist,
der Betrag der Feuchtigkeit der Brennstoffzelle graduell, so dass
der Feuchtigkeitsgehalt der Elektrolytmembran fortgesetzt abfällt.
In der Wirklichkeit geschieht dies jedoch nicht, da der Dampfdruck
in dem Kathodenauslassgas als gesättigter Dampfdruck berechnet
wird, wenn das Ablaufvolumen berechnet wird. Wenn die Temperatur
der Brennstoffzelle etwas niedrig ist, wird der Dampfdruck in dem
Kathodenauslassgas den gesättigten Dampfdruck erreichen.
Wenn jedoch die Temperatur der Brennstoffzelle hoch genug ist, so
dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran abfallen wird,
wird der Dampfdruck des Kathodenauslassgases den gesättigten
Dampfdruck nicht erreichen. Daher wird das tatsächliche
Ablaufvolumen geringer als das Ablaufvolumen sein, das berechnet
wurde, wie vorstehend beschrieben ist, so dass die Konstante C im
Ausdruck (1) auf einen Wert von größer als 1 eingestellt
wird. Gemäß diesem Aufbau ist es möglich,
einfach zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, indem ein Verfassungswert von einem Amperemeter, der
ein Sensor ist, der normalerweise zu Besteuern des Brennstoffzellensystems
bereitgestellt ist, oder an einem Durchflussratensensor, an einem
Temperatursensor und einem Drucksensor oder Ähnlichem für das
Kathodenauslassgas verwendet wird, ohne dass der Membranwiderstand
direkt erfasst werden muss.
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D6: Sechstes Abgewandeltes Beispiel
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Die
Bestimmung, ob der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran
gering ist, kann ebenso auf der Grundlage der Feuchtigkeit des Auslassgases vorgenommen
werden (entweder des Kathodenauslassgases oder des Anodenauslassgases).
Wenn beispielsweise die Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases zu
verwenden ist, kann ein Gastaupunktmessgerät und ein Gastemperatursensor
in dem Kathodenauslassgasdurchgang 68 vorgesehen werden und
kann die Feuchtigkeit des Kathodenauslassgases erhalten werden.
Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle relativ niedrig ist, erreicht
der Wasserdampfdruck des Auslassgases den gesättigten Dampfdruck.
Wenn jedoch die Temperatur der Brennstoffzelle ansteigt, so dass
der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering wird, fällt
die Feuchtigkeit des Auslassgases auf unterhalb der Feuchtigkeit
ab, die dem gesättigten Dampfdruck entspricht. Daher wird
die Auslassgasfeuchtigkeit, die als Referenz zum Bestimmen verwendet
wird, ob der Feuchtigkeitsgehalt gering ist, im Voraus eingestellt.
Wenn die Auslassgasfeuchtigkeit, die auf der Grundlage des Erfassungswerts
erhalten wird, unter die Auslassgasfeuchtigkeit fällt,
die als Referenz verwendet wird, kann bestimmt werden, dass der
Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist. In diesem
Fall ist es ebenso möglich, zu bestimmen, ob der Feuchtigkeitsgehalt
in der Elektrolytmembran gering ist, indem ein einfaches Verfahren
verwendet wird, ohne dass der Membranwiderstand direkt erfasst werden
muss.
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D7: Siebtes abgewandeltes Beispiel
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In
dem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird der Injektor 62 zum
Auffüllen des Wasserstoffgases in dem Rezirkulationsströmungspfad
verwendet. Alternativ kann jedoch ein unterschiedlicher Aufbau verwendet
werden. Beispielsweise kann ein Druckverringerungsventil anstelle
des Injektors 62 vorgesehen werden und kann eine Steuerung
zum Verringern des Anodendrucks durch Einstellen des Drucks des
Brennstoffgases, das zu der Brennstoffzelle 22 zugeführt
wird, unter Verwendung dieses Druckverringerungsventils durchgeführt
werden.
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6 ist
eine Schnittansicht, die ein Rahmenformat des allgemeinen Aufbaus
des Druckverringerungsventils 162 zeigt, das als ein Beispiel
des Druckverringerungsventils angegeben wird, das anstelle des Injektors 62 verwendet
wird. Das Druckverringerungsventil 162 weist ein Gehäuse 80,
eine Membran 85, eine Klappe 86 und Federn 91 und 92 auf.
In dem Gehäuse 80 sind ein primärseitiger
Einlass 88, durch den Wasserstoffgas strömt, das
von der Seite des Wasserstofftanks 23 zugeführt
wird, ein sekundärseitiger Auslass 89, durch den
das Wasserstoffgas zu der Seite des Rezirkulationsströmungspfads
ausgestoßen wird, und ein Gegendruckanschluss 90 ausgebildet,
der sich zur Umgebungsluft öffnet. Die Membran 85 teilt
den inneren Abschnitt des Gehäuses 80 in einen
oberen Raum und einen unteren Raum in der Zeichnung. Der obere Raum
bildet eine Druckregulierkammer 83, die zur Umgebungsluft über
den Gegendruckanschluss 90 offen ist. Der untere Raum ist
weitergehend in zwei weitere Räume geteilt, wobei einer
als primärseitige Gaskammer 81 und der andere
als sekundärseitige Gaskammer 82 dient, nämlich
durch eine Teilungsplatte 84 des Gehäuses 80.
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Ein
Regulierloch 87, das eine Verbindung zwischen der primärseitigen
Gaskammer 81 und der sekundärseitigen Gaskammer 82 herstellt,
ist in der Teilungsplatte 84 ausgebildet. Der Öffnungsbetrag dieses
Regulierlochs 87 wird durch die Klappe 86 eingestellt,
die mit der Membran 85 verbunden ist. Das Hochdruckwasserstoffgas,
das in die primärseitige Gaskammer 81 von dem
primärseitigen Einlass 88 eingeströmt
ist, tritt durch das Regulierloch 87, das den Druck des
Wasserstoffgases verringert und in die sekundärseitige
Gaskammer 82, von wo sie zu dem Rezirkulationsströmungspfad über
den sekundärseitigen Auslass zugeführt wird.
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Die
Feder 91 ist in der primärseitigen Gaskammer 81 angeordnet
und spannt die Klappe 86 in eine Richtung vor, die den Öffnungsbetrag
des Regulierlochs 87 verringert. Ebenso ist die Feder 92 in
der Druckregulierkammer 83 angeordnet und spannt die Membran 85 in
der Richtung vor, die den Öffnungsbetrag des Regulierlochs 87 vergrößert.
Darüber hinaus bringt der Druck des druckreduzierten Wasserstoffgases
in der sekundärseitigen Gaskammer 82 eine Kraft
auf die Membran 85 in eine Richtung auf, die den Öffnungsbetrag
des Regulierlochs 87 verringert, und der Druck der Umgebungsluft
innerhalb der Druckregulierkammer 83 bringt eine Kraft
auf die Membran 85 in eine Richtung auf, die den Öffnungsbetrag
des Regulierlochs 87 vergrößert. Der
Grad, mit dem das Regulierloch 87 sich öffnet
und der Druck des Wasserstoffgases verringert wird, wird durch das
Gleichgewicht der Kraft des druckreduzierten Wasserstoffgases und
der Kraft der Umgebungsluft bestimmt. Wenn der Gasdruck an der sekundären Seite
durch Vergrößern des Gasdrucks an der primären
Seite erhöht wird, erhöht sich die Kraft, die
auf die Membran durch den Gasdruck an der sekundären Seite
aufgebracht wird. Als Folge vergrößert sich die Kraft,
die zum Verringern des Öffnungsbetrags des Regulierlochs 87 wirkt,
was den Grad vergrößert, mit dem der Druck des
Wasserstoffgases verringert wird. Wenn dagegen der Gasdruck an der
sekundären Seite durch Verringern des Gasdrucks an der
primären Seite verringert wird, verringert sich die Kraft,
die auf die Membran durch den Gasdruck an der sekundären Seite
aufgebracht wird. Als Folge wird die Kraft, die zum Verringern des Öffnungsbetrags
des Regulierlochs 87 wirkt, verringert, wodurch der Grad,
mit dem der Druck des Wasserstoffgases verringert wird, sich verringert.
Auf diesem Weg kann der Wasserstoffgasdruck an der sekundären
Seite, der reduziert wurde, im Wesentlichen auch dann konstant gehalten werden,
wenn der Wasserstoffgasdruck an der primären Seite schwankt.
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Wenn
diese Art des Druckverringerungsventils 162 verwendet wird,
kann der Aufbau des Brennstoffzellensystems so sein, dass eine Druckverringerungseinrichtung
mit dem Gegendruckanschluss 90 verbunden werden kann, der
sich zu der Druckregulierkammer 83 öffnet, und
kann die Verbindung zwischen dem Gegendruckanschluss 90 und
der Umgebungsluft abgesperrt werden. Wenn dann die Anodendruckverringerungssteuerung
in Schritt S120 durchgeführt wird, die in 4 gezeigt
ist, kann die Verbindung zwischen der Druckregulierkammer 83 und
der Umgebungsluft abgesperrt werden und der Druck in der Druckregulierkammer 83 auf
weniger als der Umgebungsdruck unter Verwendung der Druckverringerungseinrichtung
verringert werden. Als Folge kann die Kraft, die zum Verringern
des Öffnungsbetrags des Regulierlochs 87 wirkt,
erhöht werden, was den Grad erhöht, mit dem der
Druck des Wasserstoffgases verringert wird, um dadurch zu ermöglichen,
dass der Anodendruck verringert wird.
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D8: Achtes abgewandeltes Beispiel
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In
dem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird in dem Wasserstofftank 23 gespeichertes
Wasserstoffgas als Brennstoffgas verwendet, das Wasserstoff enthält.
Alternativ kann jedoch ein anderer Aufbau verwendet werden. Beispielsweise
kann wasserstoffreiches reformiertes Gas, das aus Alkohol oder Kohlenwasserstoffkraftstoff
oder Ähnliches unter Verwendung einer Reformerreaktion,
wie z. B. einer Dampfreformerreaktion erhalten wird, als Brennstoffgas
verwendet werden. In diesem Fall können ebenso dieselben
Wirkungen erhalten werden, indem die Ausgangsspannung sichergestellt
wird, was durch Unterdrücken einer Erhöhung des
Widerstands der Elektrolytmembran erzielt wird, indem eine Steuerung
zum Verringern des Anodendrucks durchgeführt wird, wenn
der Feuchtigkeitsgehalt in der Elektrolytmembran gering ist.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellensystem (10), das eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
(22) mit einer Polymerelektrolytmembran aufweist, ist mit
einem Bestimmungsabschnitt, der bestimmt, ob ein Feuchtigkeitsgehalt
in der Polymerelektrolytmembran gering ist, und einem Anodengasdruckregulierabschnitt
versehen, der einen Gasdruck an einer Anodenseite der Brennstoffzelle
niedriger als einen Wert des Gasdrucks an der Anodenseite, der während
des stationären Betriebs eingestellt wird, bei dem der
Feuchtigkeitsgehalt nicht gering ist, einstellt, wenn bestimmt wird,
dass der Feuchtigkeitsgehalt gering ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-175821 [0002]
- - JP 2002-175821 A [0002]