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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und eine Gaszuführeinheit beinhaltet, die der Brennstoffzelle ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuführt, und betrifft insbesondere eine Gefrierprävention in dem System.
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Technischer Hintergrund
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Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine Vorrichtung, in der eine Elektrizität erzeugt wird, indem bewirkt wird, dass ein Brenngas und ein Oxidationsgas einer elektrochemischen Reaktion unterzogen werden. Bislang ist ein Brennstoffzellensystem bekannt gewesen, das eine Gaszuführeinheit beinhaltet, die der Brennstoffzelle ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuführt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem weist typischerweise als eine Brenngaszuführeinheit eine Zuführleitung auf, die das Brenngas von einer Brenngasquelle der Brennstoffzelle zuführt. Entsprechend weist das Brennstoffzellensystem eine Zirkulationsleitung auf, die ein abgeführtes Brenngas, das von der Brennstoffzelle abgeführt worden ist, an die Zuführleitung rückführt. Das abgeführte Brenngas beinhaltet ein durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser und ein Brenngas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, ohne an einer elektrochemischen Reaktion beteiligt gewesen zu sein. Ein solches in dem abgeführten Brenngas enthaltenes Brenngas wird an die Brennstoffzelle über die Zirkulationsleitung und die Zuführleitung rückgeführt, und dementsprechend wird eine elektrische Erzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems verbessert.
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In einem derartigen Brennstoffzellensystem wird das Brenngas in der Brenngasquelle durch die äußere Umgebung beeinflusst, und die Temperatur des Brenngases neigt dazu, mit der Außentemperatur näherungsweise identisch zu werden. Dann wird der Druck des Brenngases in der Brenngasquelle von einem Hochdruckzustand herabgesetzt und der Zuführleitung zugeführt, so dass die Temperatur des Brenngases, das in der Zuführleitung strömt, niedriger wird als die Außentemperatur. Wenn die Außentemperatur nahezu 0°C beträgt, liegt die durch die Zuführleitung strömende Temperatur des Brenngases, die niedriger ist als die Außentemperatur, unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser. Da die Feuchtigkeit, die in dem abgeführten Brenngas vorhanden ist, das von der Zirkulationsleitung zur Zuführleitung strömt, durch das Brenngas gekühlt wird, das unterhalb des Gefrierpunkts liegt, besteht dahingehend ein Problem, dass die Feuchtigkeit in der Zuführleitung gefrieren kann.
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Die japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift
JP 2005-332676 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das verhindert, dass Wasser in einer Zuführleitung gefriert, indem ein Teil der durch eine elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme der Zuführleitung zugeführt wird. Die Zirkulationsleitung des Brennstoffzellensystems ist mit einem Gas-Flüssigkeitsseparator versehen, durch den die in dem abgeführten Brenngas enthaltende Feuchtigkeit abgeschieden wird und dann in die Umgebung freigesetzt wird. Wenn der Gas-Flüssigkeitsseparator die in dem abgeführten Brenngas enthaltene Feuchtigkeit nach außen abführt, wird auch gleichzeitig die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärmeenergie ausgestoßen. In einem Fall, in dem die Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Feuchtigkeit in der Zuführleitung gefrieren könnte, wird durch das in der
JP 2005-332676 A offenbarte Brennstoffzellensystem der Gas-Flüssigkeitsseparator so gesteuert, dass er die in dem abgeführten Brenngas enthaltene Feuchtigkeit nicht freisetzt und die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärmemenge erhöht, wobei die überschüssige Wärme der Zuführleitung zugeführt wird. Während in die Zuführleitung immer mehr von der durch die elektrochemische Reaktion erzeugten Wärme geführt wird, kann das von der Brenngasquelle gelieferte Brenngas genügend erwärmt werden, um ein Gefrieren in der Zuführleitung zu verhindern.
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Wenn jedoch die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärmemenge gering ist, kann das in der
JP 2005-332676 A offenbarte Brennstoffzellensystem das aus der Brenngasquelle strömende Brenngas nicht ausreichend erwärmen. Somit bleibt die Möglichkeit bestehen, dass die in dem abgeführten Brenngas vorhandene Feuchtigkeit durch das Brenngas dermaßen gekühlt wird, dass sie in der Zuführleitung gefriert.
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Weitere gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme mit einer Zuführleitung, die einer Brennstoffzelle ein Brenngas aus einer Brenngasquelle zuführt, einer Zirkulationsleitung, die ein abgeführtes Brenngas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, an die Zuführleitung rückführt und das abgeführte Brenngas zur Brennstoffzelle zirkuliert, einer Freisetzungseinheit, die in der Zirkulationsleitung angeordnet ist und das abgeführte Brenngas nach außerhalb des Brennstoffzellensystems freisetzt, und einer Temperaturerfassungseinheit, die die Temperatur des Brenngases erfasst, das in der Zuführleitung strömt, wobei eine Steuerung das Abgas unter Gefrierbedingungen an die Umgebung ablässt, statt es in die Brenngaszuführung zurückzuführen sind aus der
WO 2005/053070 A1 und der
DE 103 25 754 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 geschaffen, wobei das Brennstoffzellensystem eine Zuführleitung, die einer Brennstoffzelle ein Brenngas aus einer Brenngasquelle zuführt, eine Zirkulationsleitung, die ein aus der Brennstoffzelle abgeführtes Brenngas der Zuführleitung rückführt und das abgeführte Brenngas zur Brennstoffzelle zirkuliert, eine Freisetzungseinheit, die in der Zirkulationsleitung angeordnet ist und das abgeführte Brenngas nach außerhalb des Brennstoffzellensystems freisetzt, eine Temperaturerfassungseinheit, die die Temperatur des Brenngases erfasst, das in der Zuführleitung strömt, eine Steuerungseinheit, die den Betrieb des Brennstoffzellensystems steuert, und das Strömungsvolumen des aus der Brennstoffzelle abgeführten Brenngases steuert, das an die Zuführleitung rückgeführt werden soll, wenn die Steuerungseinheit bestimmt, dass Gefrierbedingungen vorherrschen und eine Brenngasströmungsvolumen-Steuerungsvorrichtung beinhaltet, die zumindest einen Teil des abgeführten Brenngases aus der Freisetzungseinheit nach außerhalb des Brennstoffzellensystems freisetzt. Das Verfahren ist dabei durch die folgenden Schritte gekennzeichnet: Erfassen der Temperatur des Brenngases, das in der Zuführleitung strömt und Eingeben der erfassten Temperatur in die Steuerungseinheit, Bestimmen, basierend auf der erfassten Temperatur, ob in der Zuführleitung Gefrierbedingungen vorherrschen oder nicht, und, wenn bestimmt wird, dass Gefrierbedingungen vorherrschen, und wenn die erfasste Temperatur kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, Steuern des Strömungsvolumens des abgeführten Brenngases, das an die Zuführleitung rückgeführt werden soll, auf ein Strömungsvolumen, das niedriger ist als wenn die erfasste Temperatur höher als der vorbestimmte Wert ist. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration darstellt, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsbetriebsbeispiel einer Gefrierprävention einer Steuerungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Steuerungsbetriebsbeispiel einer Gefrierprävention der Steuerungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Beste Art und Weise des Ausführens der Erfindung
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 12 auf, in der eine Stromerzeugung erfolgt, indem bewirkt wird, dass ein Brenngas und ein Oxidationsgas einer elektrochemischen Reaktion unterzogen werden.
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Eine Brenngaszuführleitung 16, die einer Brennstoffelektrode (in der Zeichnung nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 12 ein Brenngas zuführt, und eine Oxidationsgaszuführleitung 22, die einer Luftelektrode (in der Zeichnung nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 12 ein Oxidationsgas zuführt, sind mit der Brennstoffzelle 12 verbunden.
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Ferner sind eine Zirkulationsleitung 18, die ein abgeführtes Brenngas, das aus der Brennstoffelektrode abgeführt wird, an die Brenngaszuführleitung 16 rückführt und das abgeführte Brenngas zur Brennstoffzelle 12 zirkuliert, und eine Freisetzungsleitung 38, die das überschüssige Oxidationsgas freisetzt, das von der Luftelektrode nach außen abgeführt wird, mit der Brennstoffzelle 12 verbunden.
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In diesem Fall handelt es sich bei der Brennstoffzelle 12 um eine Festpolymer-Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, die eine Protonenleitmembran ist, die durch ein Polymermaterial, beispielsweise Fluorharz oder dergleichen, gebildet wird. In einer Zelleneinheit (in der Zeichnung nicht dargestellt) der Brennstoffzelle ist eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die so konfiguriert ist, dass die Elektrolytmembran zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode sandwichartig angeordnet ist, durch eine weitere sandwichartige Anordnung zwischen zwei Separatorschichten konfiguriert. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Stapel (in der Zeichnung nicht dargestellt) auf, der zusammengebaut wird, indem eine Mehrzahl von Zelleneinheiten aneinander geschichtet wird.
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Es erfolgt eine Beschreibung der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 12. Das Brenngas (Wasserstoffgas) wird der Brennstoffelektrode einer jeweiligen Zelleneinheit zugeführt, und das Oxidationsgas (Luft) wird der Luftelektrode zugeführt. In der Brennstoffelektrode wird das Brenngas in ein Wasserstoffion und ein Elektron aufgespülten, und das aufgespaltene Wasserstoffion wird durch die Elektrolytmembran geleitet und zur Luftelektrode geführt, während das aufgespaltene Elektron durch einen externen Kreislauf geleitet und dann zur Luftelektrode geführt wird. In der Luftelektrode reagieren die Wasserstoffionen, die durch die Elektrolytmembran gelangt sind, und die Elektronen, die durch den externen Kreislauf gelangt sind, mit dem Sauerstoff in der Luft, wodurch es zur Erzeugung von Wasser kommt. Durch diese Abfolge von elektrochemischen Reaktionen können die jeweiligen Zelleneinheiten elektrische Leistung erzeugen, die aus der Brennstoffzelle abgegeben werden kann. Weil abgesehen davon die jeweiligen Zelleneinheiten direkt elektrisch miteinander verbunden sind, bildet die Spannung der elektrischen Leistung, die aus der Brennstoffzelle 12 abgegeben wird, eine kombinierte Spannung der jeweiligen Zelleneinheiten.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Brenngastank 14, der ein unter hohem Druck stehendes Brenngas speichert, als eine Leistungszuführquelle zum Zuführen des Brenngases zur Brennstoffzelle 12 auf. Der Brenngastank 14 ist mit der Brenngaszuführleitung 16 verbunden, und der Druck des Brenngases wird aus dem Hochdruckzustand herabgesetzt und der Brenngaszuführleitung 16 zugeführt. Das zugeführte Brenngas wird der Brennstoffzelle 12 über die Brenngaszuführleitung 16 zugeführt.
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Die Brenngaszuführleitung 16 ist mit einer Brenngasströmungsvolumen-Steuerungsvorrichtung 34 in der Nähe des Brenngastanks 14 versehen. Die Brenngasströmungsvolumen-Steuerungsvorrichtung 34 weist ein Strömungsvolumen-Einstellungsventil (das in der Zeichnung nicht gezeigt ist) auf, das das Strömungsvolumen und den Druck des Brenngases steuert. Das Strömungsvolumen-Einstellungsventil steuert, unter Berücksichtigung der von der Brennstoffzelle 12 angeforderten elektrischen Leistung, die Brenngasmenge, die der Brennstoffzelle 12 aus dem Brenngastank 14 zugeführt wird.
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Darüber hinaus ist die Zirkulationsleitung 18 mit der Brenngaszuführleitung 16 stromab der Brenngasströmungsvolumen-Steuerungsvorrichtung 34 verbunden, und der verbundene Bereich ist mit einem Temperatursensor 32 versehen, der eine Temperatur des Brenngases erfasst, das in der Brenngaszuführleitung 16 strömt. Der Temperatursensor 32 gibt ein Signal aus, das die erfasste Temperatur einer Steuerungsvorrichtung 40 anzeigt, auf die in der Beschreibung nachstehend eingegangen wird. Nachstehend wird der Abschnitt der Leitungen, wo die Zirkulationsleitung 18 mit der Brenngaszuführleitung 16 verbunden ist und wo daher das aus dem Brenngastank 14 strömende Brenngas und das abgeführte Brenngas, das aus der Brennstoffzelle 12 strömt, vermischt werden, als der Zusammenströmungsabschnitt 20 bezeichnet.
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Ein Gas-Flüssigkeitsseparator 24 und eine Zirkulationsvorrichtung 30 sind in dieser Reihenfolge in der Zirkulationsleitung 18 zwischen der Brennstoffzelle 12 und dem Zusammenströmungsabschnitt 20 angeordnet. Das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführte Brenngas enthält ein nicht an der Reaktion beteiligtes Brenngas (Wasserstoffgas), ein durch die elektrochemische Reaktion erzeugtes Wasser und Wasserdampf, in dem das Wasser durch die Reaktionswärme verdampft wird. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 24 ist eine Vorrichtung, die ein in dem abgeführten Brenngas enthaltenes Wasser abscheidet. Ein Wasserabführventil 26, das das abgeschiedene Wasser ableitet, ist mit dem Gas-Flüssigkeits-Separator 24 verbunden, und die Freisetzungsleitung 38 ist mit dem Wasserabführventil 26 verbunden. Das Wasserabführventil 26 ist ein Ventil, das beispielsweise einen Zwei-Stellungs-Betrieb, d. h. einen EIN-/AUS-Betrieb, ausführt. Weil das Wasser in dem abgeführten Brenngas durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 24 abgeschieden wird, wird der in dem abgeführten Brenngas enthaltende Wasserdampf durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 24 geleitet.
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Im Gas-Flüssigkeitsseparator 24 ist ein Wasserstandssensor 28 angeordnet, der den Wasserstand des durch den Gas-Flüssigkeitsseparator 24 abgeschiedenen und in demselben angesammelten Wassers erfasst. Der Wasserstandssensor 28 erfasst im Gas-Flüssigkeitsseparator 24 Ober- und Untergrenzen der Wasserstände. Dann gibt eine Steuerungsvorrichtung 40, auf die in der Beschreibung nachstehend eingegangen wird, ein Signal für einen Betriebsbefehl an das Wasserabführventil 26 basierend auf dem erfassten Wasserstand aus. Wenn der Wasserstandssensor 28 erfasst, dass der Wasserstand sich an der oberen Grenze befindet, wird das Wasserabführventil 26 durch die Steuerungsvorrichtung 40 geöffnet und das in dem Gas-Flüssigkeitsseparator 24 abgeschiedene und darin angesammelte Wasser über die Freisetzungsleitung 38 nach außen freigesetzt. Wenn der Wasserstandssensor 28 erfasst, dass der Wasserstand sich an der unteren Grenze befindet, wird das Wasserabführventil 26 durch die Steuerungsvorrichtung 40 geschlossen, und es sammelt sich erneut Wasser im Gas-Flüssigkeitsseparator 24 an.
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Die Zirkulationsvorrichtung 30 beinhaltet eine Pumpe (in der Zeichnung nicht dargestellt), und das abgeführte Brenngas, das aus der Brennstoffzelle 12 abgeführt wird, wird der Brenngaszuführleitung 16 durch den Betrieb der Pumpe zugeführt. Bei dieser Konfiguration strömen das abgeführte Brenngas und das in dem Brenngastank 14 vorhandene Brenngas am Zusammenströmungsabschnitt 20 der Brenngaszuführleitung 16 zusammen, bevor sie der Brennstoffzelle 12 zugeführt werden.
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Ein Ende der Luftzuführleitung 22 ist zur Außenseite offen. Eine Luftpumpe (in der Zeichnung nicht dargestellt) ist in der Luftzuführleitung 22 angeordnet, und die Luft wird der Brennstoffzelle 12 durch den Betrieb der Luftpumpe von außen zugeführt.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Steuerungsvorrichtung 40 auf, die das Wasserabführventil 26 basierend auf verschiedenen Eingangssignalen steuert. Die verschiedenen Eingangssignale beinhalten die Temperatur des Brenngases, die von dem Temperatursensor 32 eingegeben wird, und den Wasserstand, der von dem Wasserstandssensor 28 eingegeben wird. Die Steuerungsvorrichtung 40 speichert eine Tabelle, die der Temperatur des Brenngases und einem Verhältnis einer Öffnungszeit (das nachstehend als ein Öffnungszeitverhältnis bezeichnet wird) des Wasserabführventils 26 in einer vorbestimmten Zeit entspricht. Das Wasserabführventil 26 wiederholt den EIN/AUS-Vorgang innerhalb der vorbestimmten Zeit, und das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das aus dem Wasserabführventil 26 nach außen freigesetzt werden soll, wird durch Steuern des Verhältnisses des EIN-Zustands innerhalb der vorbestimmten Zeit gesteuert. Das heißt, dass, wenn das Öffnungszeitverhältnis groß ist, die Menge des abgeführten Brenngases, das von dem Wasserabführventil 26 nach außen freigesetzt werden soll, vergrößert wird, und wenn das Öffnungszeitverhältnis klein ist, wird die Menge des freizusetzenden abgeführten Brenngases reduziert und die Menge des Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt und erneut zirkuliert werden soll, erhöht.
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Die Steuerungsvorrichtung 40 bestimmt basierend auf der Erfassungstemperatur bzw. erfassten Temperatur, die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, ob ein Gefrieren in der Brenngaszuführleitung 16 eintritt oder nicht. Obwohl die Temperatur, bei der Wasser gefriert, 0°C beträgt, wird in der vorliegenden Ausführungsform unter Berücksichtigung von möglichen Erfassungsfehlern und der Steuerungsbetriebszeit eine Temperatur, die etwas über 0°C liegt, z. B. 2°C, als Bestimmungsgrundlage herangezogen.
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Wenn die erfasste Temperatur, die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, mehr als 2°C ist, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 40, dass kein Gefrieren eintreten kann, und bewirkt, dass das Wasserabführventil 26 durch die Steuerung geöffnet wird, wenn die Obergrenze des Wasserstands erreicht ist, oder geschlossen wird, wenn die Untergrenze des Wasserstands erreicht ist, so dass der vorstehend beschriebene Betrieb des Wasserabführventils 26 in normaler Weise ausgeführt wird.
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Wenn hingegen die durch den Temperatursensor 32 erfasste Temperatur kleiner oder gleich 2°C ist, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 40 basierend auf der erfassten Temperatur, dass ein Gefrieren eintreten kann, und steuert den Betrieb des Wasserabführventils 26 so, dass zumindest einen Teil des abgeführten Brenngases nach außen freigesetzt wird. Die Steuerungsvorrichtung 40 wählt das Öffnungszeitverhältnis entsprechend der erfassten Temperatur, die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, aus der zuvor installierten Tabelle und gibt dann ein Signal aus, das den Betriebsbefehl weiterleitet, so dass das Wasserabführventil 26 das ausgewählte Öffnungszeitverhältnis implementiert. Das Wasserabführventil 26 wird durch das Ausgangssignal betätigt, und das im Gas-Flüssigkeitsseparator 24 angesammelte Wasser wird zunächst über die Freisetzungsleitung 38 nach außen freigesetzt. Anschließend wird das abgeführte Brenngas nach außen freigesetzt. Wenn, wie vorstehend beschrieben, bestimmt wird, dass ein Gefrieren eintritt, stellt die Steuerungsvorrichtung 40 den Grad der Öffnung des Wasserabführventils 26 basierend auf dem ausgewählten Öffnungszeitverhältnis ein, und dementsprechend wird zumindest ein Teil des abgeführten Brenngases, das in der Zirkulationsleitung 18 strömt, nach außen freigesetzt, und die Menge des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, wird reduziert.
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Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung die Beschreibung eines beispielhaften Steuerungsbetriebs der Steuerungsvorrichtung 40, durch den ein Gefrieren in der Brenngaszuführleitung 16 verhindert wird. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen Steuerungsbetrieb darstellt, der durch die Steuerungsvorrichtung 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird, um ein Gefrieren zu verhindern.
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Zunächst wird bei Schritt S01 die Temperatur des Brenngases, die durch den Temperatursensor 32 erfasst wird, in die Steuerungsvorrichtung 40 eingegeben.
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Bei Schritt S02 wird basierend auf der eingegebenen Temperatur des Brenngases bestimmt, ob in der Brenngaszuführleitung 16 ein Gefrieren auftreten kann oder nicht. Wenn die Temperatur des Brenngases beispielsweise mehr als 2°C beträgt, wird bestimmt, dass ein Gefrieren in der Brenngaszuführleitung 16 nicht auftreten kann, und der Steuerungsbetrieb wird beendet. Wenn hingegen die Temperatur des Brenngases beispielsweise 2°C oder weniger beträgt, wird bestimmt, dass in der Brenngaszuführleitung 16 ein Gefrieren auftreten kann, und der Betrieb von Schritt S03 wird implementiert.
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Bei Schritt S03 wird das Öffnungszeitverhältnis aus der Tabelle basierend auf der eingegebenen Temperatur des Brenngases ausgewählt. In einem Fall, in dem die Temperatur des Brenngases beispielsweise fast 2°C beträgt, wird ein niedriges Öffnungszeitverhältnis ausgewählt, und, wenn die Temperatur des Brenngases weiter auf unter 2°C abfällt, wird ein größeres Öffnungszeitverhältnis ausgewählt. Das heißt, dass, wenn die Temperatur des Brenngases auf unter 2°C absinkt, der Betrieb des Wasserabführventils 26 ausgewählt wird, das anscheinend mehr abgeführtes Brenngas nach außen freisetzt. Wenn schließlich die Temperatur. des Brenngases auf beispielsweise –2°C abfällt, wird das größte Öffnungszeitverhältnis ausgewählt. Das heißt, dass der Betrieb des Wasserabführventils 26, um das gesamte abgeführte Brenngas nach außen freizusetzen, d. h. eine vollständig geöffnete Stellung, ausgewählt wird.
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Bei Schritt S04 wird der Betrieb so implementiert, dass das Wasserabführventil 26 den in Schritt S03 ausgewählten Zustand erreicht, und der Steuerungsbetrieb wird beendet.
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Wenn bei dem Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführungsform die Temperatur der Umgebung innerhalb der Brenngaszuführleitung 16 bei einer Temperatur liegt, bei der die Wahrscheinlichkeit des Gefrierens besteht, bewirkt die Steuerungsvorrichtung 40, dass das Wasserabführventil 26 arbeitet und zumindest ein Teil des abgeführten Brenngases nach außen freigesetzt wird, so dass das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, reduziert werden kann. Weil das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, reduziert wird, wird die der Betrag der Feuchtigkeit (der Wasserdampf) im Gas reduziert, wodurch ein Faktor gemindert wird, der zum Gefrieren beiträgt.
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Sollte außerdem die Temperatur in der Brenngaszuführleitung 16 weiter sinken, wird eine größere Menge des abgeführten Brenngases nach außen freigesetzt, wodurch der Betrag der Feuchtigkeit (Wasserdampf), die an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, weiter reduziert wird und wiederum die Auswirkungen dieses zu einem Gefrieren beitragenden Faktors weiter gemindert werden. Selbst wenn eine geringe Menge Wasserdampfs, der auf seinem Weg zur Brenngaszuführleitung 16 durch die Leitung gelangt, gefriert, werden die dabei entstehenden Eiskristalle durch die warme Luft in der Brennstoffzelle 12 erwärmt und tauen. Folglich kann die Entstehung von Eis verhindert werden, das sich auf einer Oberfläche der Brenngaszuführleitung 16 aufgrund der angesammelten Eiskristalle bildet. Selbst wenn eine geringe Menge Eis an der Wandoberfläche der Brenngasleitung 16 haftet, wird das Eis nach einer bestimmten Zeitspanne schmelzen, da die Brenngaszuführleitung 16 durch den Warmluftbetrieb des Brennstoffzellensystems 10 erwärmt wird.
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Wenn jedoch die Temperatur der Brenngaszuführleitung 16 noch weiter sinkt, wird das gesamte abgeführte Brenngas nach außen freigesetzt, so dass der gesamte Feuchtigkeitsgehalt beseitigt wird und nichts davon an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird. Da keine Feuchtigkeit vorhanden ist, kann zuverlässig verhindert werden, dass Wasser in der Leitung gefriert, selbst wenn das Umfeld im Inneren der Brenngaszuführleitung 16 eine Temperatur aufwiese, wo die Wahrscheinlichkeit bestünde, dass Wasser gefrieren würde.
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Wie vorstehend beschrieben kann durch Verwenden des Brennstoffzellensystems 10 der vorliegenden Ausführungsform ein Gefrieren unter Verwendung einer einfachen Struktur ohne erhebliche Umbaumaßnahmen oder einen wesentlichen Aufwand an neuen Bauteilen verhindert werden. Selbst wenn außerdem das Umfeld innerhalb der Brenngaszuführleitung 16 eine Temperatur aufwiese, wo die Wahrscheinlichkeit eines Gefrierens bestünde, würde das abgeführte Brenngas wieder an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt und an die Brennstoffzelle 12 geliefert werden, wodurch die Effizienz des Brennstoffzellensystems 10 verbessert werden kann.
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Anschließend erfolgt die Beschreibung eines beispielhaften Steuerungsbetriebs der Steuerungsvorrichtung 40, wobei eine zuverlässige Verhinderung des Gefrierens verstärkt zu einer Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems 10 beiträgt. 3 ist ein Flussdiagram, das ein anderes Steuerungsbetriebsbeispiel einer Gefrierprävention der Steuerungsvorrichtung 40 gemäß dem vorliegenden Beispiel darstellt.
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Zunächst wird bei Schritt S11 die durch den Temperatursensor 32 erfasste Temperatur des Brenngases in die Steuerungsvorrichtung 40 eingegeben.
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Bei Schritt S12 wird basierend auf der eingegebenen Temperatur des Brenngases bestimmt, ob die Möglichkeit besteht, dass es in der Brenngaszuführleitung 16 zu einem Gefrieren kommen könnte. Wenn die Temperatur des Brenngases beispielsweise mehr als 2°C beträgt, wird bestimmt, dass in der Brenngaszuführleitung 16 kein Gefrieren auftreten wird, und der Steuerungsbetrieb wird beendet. Wenn hingegen die Temperatur des Brenngases beispielsweise 2°C oder weniger beträgt, wird bestimmt, dass in der Brenngaszuführleitung 16 ein Gefrieren auftreten kann, und der Betrieb von Schritt S13 wird implementiert.
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In Schritt S13 wird ein Betriebsablauf implementiert, so dass bewirkt wird, dass sich das Wasserabführventil 26 öffnet, und der Steuerungsbetrieb wird beendet.
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Wenn das Umfeld innerhalb der Brenngaszuführleitung 16 eine Temperatur aufweist, wo es wahrscheinlich ist, dass Wasser gefriert, wird gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 des vorliegenden Beispiels durch die Steuerungsvorrichtung 40 bewirkt, dass das Wasserabführventil 26 arbeitet und das gesamte Brenngas nach außen freigesetzt wird, und somit wird das Volumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, vollständig beseitigt. Weil das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, auf null reduziert wird, wird die gesamte Feuchtigkeit, die in dem Gas enthalten ist, zusammen mit dem abgeführten Brenngas beseitigt, und ein Gefrieren kann zuverlässig beseitigt werden. Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 der vorliegenden Ausführungsform ein Gefrieren verhindert werden, indem eine einfache Struktur verwendet wird und keine erheblichen Umbaumaßnahmen ergriffen werden müssen.
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In den Beispielen der vorstehenden Ausführungsform wird das Wasserabführventil 26 als ein Beispiel für eine Einheit angegeben, die das abgeführte Brenngas nach außen freisetzt; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Ein Freisetzungsventil, das in der Zirkulationsleitung 18 angeordnet ist und das abgeführte Gas freisetzt, wenn die Konzentration eines Stickstoffs in der Zirkulationsleitung 18 hoch ist, kann beispielsweise verwendet werden, solange das abgeführte Brenngas in der Zirkulationsleitung 18 nach außen freigesetzt werden kann.
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Obwohl in dem vorstehenden Beispiel beschrieben wird, dass das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Gefrierbedingungen in der Brenngaszuführleitung 16 basierend auf der durch den Temperatursensor 32 erfassten Temperatur bestimmt wird, ist die vorliegende Erfindung ferner nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Die Temperatur des Zusammenströmungsabschnitts 20, wo ein Gefrieren wahrscheinlich ist, kann basierend auf einem weiteren Erfassungswert berechnet werden, wobei die Bestimmung basierend auf einem berechneten Ergebnis vorgenommen werden kann. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, von der Temperatur in der Brennstoffzelle 12, der Außentemperatur des Brennstoffzellensystems 10, dem Strömungsvolumen des Brenngases, das aus dem Brenngastank 14 herausströmt, und dem Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt werden soll, eine oder mehrere dieser vorgenannten Größen zu erfassen, und die Bestimmung kann basierend auf der Temperatur des Zusammenströmungsabschnitts 20 vorgenommen werden, die anhand des erfassten Werts oder der Werte berechnet wird.
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Obwohl in den vorstehenden Beispielen ferner beschrieben wird, dass die Steuerungsvorrichtung 40 das Öffnungszeitverhältnis auswählt, um das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases zu steuern, so dass es an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Konfiguration beschränkt. Daher kann z. B. ein Wasserabführventil so konfiguriert sein, dass es den Öffnungsgrad kontinuierlich einstellt, und der Öffnungsgrad des Wasserabführventils kann so festgelegt werden, dass das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das nach außen freigesetzt wird, eingestellt wird und dadurch das Strömungsvolumen des abgeführten Brenngases, das an die Brenngaszuführleitung 16 rückgeführt wird, gesteuert wird.
