DE112008000266T5

DE112008000266T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008000266T5
Application number: DE112008000266T
Authority: DE
Inventors: Yoshihito Kanno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2010-01-14
Also published as: JP2008204848A; US20090029229A1; CN101542808B; JP5125141B2; WO2008102715A1; CN101542808A; US8367259B2

Abstract

Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird;
einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle nach einer Anforderung zum Stoppen von Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht; und
einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Hintergrundtechnik
Wie beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-353569 offenbart, ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches das Brennstoffgas in der Brennstoffzelle einschließt (welches nachfolgend als Anodenendsystem bzw. Anodenkopfsystem bezeichnet wird). In dem Anodenkopfsystem werden Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser, in dem Anodengasflusskanal der Brennstoffzelle während eines Betriebs angesammelt. Folglich öffnet das herkömmliche Anodenkopfsystem das Auslassventil bei geeigneten Zeiten, um die in dem Anodengasflusskanal angesammelten Verunreinigungen bei dem stromabwärts gelegenen Ende bzw. Kopf der Anode nach außerhalb des Systems bzw. auf die Systemaußenseite auszustoßen.

Patentliteratur 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-353569
Patentliteratur 2: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-353303
Patentliteratur 3: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2005-243477
Patentliteratur 4: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-312167

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Bei dem herkömmlichen System werden jedoch, wenn das Auslassventil geöffnet ist, nicht nur die Verunreinigungen sondern auch das Brennstoffgas in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen. In Hinblick auf eine Verbesserung der Brennstoffwirtschaftlichkeit wird vorzugsweise ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden.
Die vorliegende Erfindung wurde ausgearbeitet, um das zuvor beschriebene Problem zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches eine Verunreinigung in einem Anodengasflusskanal ausstoßen kann, während ein verschwenderischer Ausstoß eines Brennstoffgases nach außerhalb des Systems bzw. auf die Systemaußenseite unterbunden wird.
Mittel zur Lösung des Problems
Zur Erzielung des zuvor erwähnten Zwecks ist der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal nach außerhalb des Systems bzw. auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird;
einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle nach einer Anforderung zum Stoppen von Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht; und
einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei der Auslassmechanismus in der Lage ist, den Ausstoßdurchfluss bzw. die Ausstoßfließrate zu ändern, und
die Ausstoßsteuereinrichtung den Ausstoßdurchfluss des Auslassmechanismus gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung erhöht.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, zudem mit:
einem Speicher elektrischer Energie, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist,
wobei zumindest ein Teil des Heraufsetzens bzw. der Zunahme der Ausgabeenergie bzw. Ausgabeleistung aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung in dem Speicher elektrischer Energie gespeichert wird.
Um den zuvor erwähnten Zweck zu erzielen, ist der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird;
einer Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung, welche bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle vorhanden ist oder nicht;
einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist; und
einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei die Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung eine Intervallbetriebzeit-Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung umfasst, welche bestimmt, dass eine Anforderung vorhanden ist, ein Reinigen der Brennstoffzelle durchzuführen, wenn eine Anforderung vorhanden ist, den Betrieb der Brennstoffzelle in einen Intervallbetrieb zu schalten, bei welchem eine Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle zeitweise gestoppt wird.
Der sechste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Brennstoffzellensystem gemäß dem vierten oder dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei der Auslassmechanismus in der Lage ist, den Ausstoßdurchfluss bzw. die Ausstoßfließrate zu ändern, und
die Ausstoßsteuereinrichtung den Ausstoßdurchfluss des Auslassmechanismus gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung erhöht.
Der siebente Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird;
einer ersten Messeinrichtung, welche eine physikalische Größe misst, die sich auf die Fließrate bzw. den Durchfluss des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal bezieht;
einer zweiten Messeinrichtung, welche eine physikalische Größe misst, die sich auf die Diffusionsrate einer Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal bezieht;
einer Durchflusssteuereinrichtung, welche nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle die Fließrate bzw. den Durchfluss des Brennstoffgases derart erhöht, dass der Durchfluss des Brennstoffgases durch den Anodengasflusskanal höher als die Diffusionsrate der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ist; und
einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Durchflusssteuereinrichtung den Durchfluss des Brennstoffgases erhöht.
Der achte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist;
einer Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung, welche bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle vorhanden ist oder nicht;
einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist; und
einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus geschlossen hält, zumindest bis die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung vorhanden ist, ein Reinigen der Brennstoffzelle durchzuführen, und den Auslassmechanismus in einen geöffneten Zustand schaltet, nachdem der Ausgabestromwert erhöht ist.
Vorteile der Erfindung
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, da eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch von Brennstoffgas in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird, die an dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals angesammelte Verunreinigung nach und nach auf die Systemaußenseite ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird. Auf diese Weise kann die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases nach außerhalb des Systems bzw. auf die Systemaußenseite unterbunden wird. Zusätzlich dazu wird bei einem Betrieb mit dem in die Auslassbetriebsart gesetzten Auslassmechanismus die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal mit höher werdendem Durchfluss des Brennstoffgases kleiner. Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein derartiger Zustand ganz bewusst nach einer Anforderung zum Anhalten des Betriebs erzeugt werden, so dass die Brennstoffzelle angehalten werden kann, indem die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal reduziert wird, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Fließrate bzw. der Durchfluss von ausgestoßenem Gas gemäß der Erhöhung der Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts der Brennstoffzelle erhöht werden. Als ein Ergebnis kann es, wenn die Verunreinigung ausgestoßen wird, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird, verhindert werden, dass sich die Verunreinigungskonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals exzessiv erhöht.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die erzeugte elektrische Energie, die erhöht ist, wenn die Verunreinigung in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals gesammelt wird, effektiv verwendet werden.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, da eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch von Brennstoffgas in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird, die an dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals angesammelte Verunreinigung nach und nach auf die Systemaußenseite ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird. Auf diese Weise kann die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases auf die Systemaußenseite unterbunden wird. Zusätzlich dazu wird bei einem Betrieb mit dem in die Auslassbetriebsart gesetzten Auslassmechanismus die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal mit höher werdendem Durchfluss des Brennstoffgases kleiner. Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein derartiger Zustand ganz bewusst nach einer Anforderung zur Durchführung eines Reinigens erzeugt werden, so dass die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen werden kann, während der verschwenderische Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann nach einer Anforderung zum Start eines Unterbrechungs- bzw. Intervallbetriebs die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal reduziert werden, während der verschwenderische Ausstoß des Brennstoffgases auf die Systemaußenseite unterbunden wird.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Fließrate bzw. der Durchfluss von ausgestoßenem Gas gemäß der Erhöhung der Menge der Verunreinigung in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts der Brennstoffzelle erhöht werden. Als ein Ergebnis kann es, wenn die Verunreinigung ausgestoßen wird, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird, verhindert werden, dass sich die Verunreinigungskonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals exzessiv erhöht.
Gemäß dem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann, wie bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals angesammelte Verunreinigung nach und auf die Systemaußenseite ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird. Zusätzlich dazu kann, wie bei dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Brennstoffzelle angehalten werden, indem die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal reduziert wird, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases unterbunden wird.
Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Gasausstoß in einem Zustand durchgeführt werden, in welchem die Verunreinigung in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals gesammelt ist, indem der Ausgabestromwert nach einer Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle erhöht wird. Als ein Ergebnis kann die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases auf die Systemaußenseite unterbunden wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Schaubild einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Schaubild, welches einen internen Aufbau einer Zelle und ein in der Zelle auftretendes Phänomen zeigt.
3 ist ein Graph, welcher die Beziehung zwischen einer Wasserstoffverteilung in dem Anodengasflusskanal und dem Stromwert zeigt.
4 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Konzepts der Verunreinigungssteuerung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Flussdiagramm, welches eine Routine zeigt, die bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
6 ist ein Kennfeld der Beziehung zwischen einer Ausgabe der Brennstoffzelle und einer Menge an Verunreinigung in einem Anodengasflusskanal während des kontinuierlichen Kleinmengenausstoßbetriebs bzw. Ausstoßbetriebs einer kleinen Menge gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zeigt, die durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 durchgeführt wird.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zeigt, die durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 durchgeführt wird.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zeigt, die durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 durchgeführt wird.

2: Brennstoffzellenstapel
4: Hochdruckwasserstofftank
6: Wasserstoffzufuhrrohr
8: Wasserstoffdruckregelventil
10: Wasserstoffeinlassventil
12: Auslassrohr
14: Auslassventil
20: Steuereinheit
22: Amperemeter
24: Temperatursensor
26: Drucksensor
30: Luftzufuhrrohr
32: Luftpumpe
34: Auslassrohr
40: Membranelektrodenanordnung
42: anodenseitiger Gasflusskanal
44: kathodenseitiger Gasflusskanal
50: Last
52: Wandler
54: Speicher elektrischer Energie

Beste Art zur Ausführung der Erfindung
Ausführungsbeispiel 1
[Konfiguration eines Systems gemäß Ausführungsbeispiel 1]
1 ist ein schematisches Schaubild, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem führt einer Last, wie beispielsweise einem Motor, elektrische Energie zu, die durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird. Im Allgemeinen hat die Brennstoffzelle 2 die Form eines Brennstoffzellenstapels, der aus einer Vielzahl von eins über die andere gestapelten Zellen zusammengesetzt ist. Auch wenn es nicht gezeigt ist, hat jede Zelle ein Paar von Stromabnehmern und eine dazwischen angeordnete Membranelektrodenanordnung. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine Elektrolytmembran aus polymerem Festkörper, Katalysatorabschnitte, die auf den gegenüberliegenden Flächen der Elektrolytmembran aus polymerem Festkörper gebildet sind, und Gasdiffusionsschichten, wie beispielsweise ein Karbonblatt, das auf den Flächen der Katalysatorabschnitte gebildet ist. Jeder Stromabnehmer dient auch als eine Trenneinrichtung zwischen zwei benachbarten Membranelektrodenanordnungen. Jede Zelle erzeugt elektrische Energie unter Verwendung von Wasserstoff als ein Brennstoffgas, das ihrer Anode zugeführt wird, und Luft, das ihrer Kathode zugeführt wird. Einzelheiten der Konfiguration der Zelle werden später in Verbindung mit einem in der Zelle auftretenden physikalischen Phänomen bei der Beschreibung eines Betriebs gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
Ein Wasserstoffzufuhrrohr 6 zum Zuführen von Wasserstoff von einem Hochdruckwasserstofftank 4 zu der Brennstoffzelle 2 ist mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Wie von der stromaufwärts gelegenen Seite gesehen, umfasst das Wasserstoffzufuhrrohr 6 ein Wasserstoffdruckregelventil 8 und dann ein Wasserstoffeinlassventil 10. Wasserstoff wird der Brennstoffzelle 2 zugeführt, nachdem der Druck durch das Druckregeventil 8 auf einen gewünschten Druck reduziert wird. Der der Brennstoffzelle 2 zugeführte Wasserstoff wird an die Anoden der Zellen durch einen (nicht abgebildeten Zufuhrverteiler in der Brennstoffzelle 2 verteilt.
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat ein Auslassrohr 12 zum Ausstoßen eines Anodengases aus der Brennstoffzelle 2. Das Auslassrohr 12 ist mit dem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals jeder Zelle über einen (nicht abgebildeten) Zufuhrverteiler in der Brennstoffzelle 2 verbunden. Gas in dem Anodengasflusskanal (Anodengas) wird in dem Auslassverteiler gesammelt und an das Auslassrohr 12 ausgestoßen. Das spitze Ende des Auslassrohrs 12 öffnet sich in die Atmosphäre oder ist mit einem Verdünner verbunden.
Das Auslassrohr 12 hat ein abgabesteuerbares elektromagnetisches Auslassventil 14 als ein Auslassmechanismus, welcher den Zustand einer Kommunikation bzw. Verbindung des Auslassrohrs 12 ändert. Das Auslassventil 14 ist vorzugsweise von dem Einspritztyp, welches eine überragende Durchflusssteuerbarkeit aufweist. Das Auslassventil 14 kann selektiv in einer geschlossenen Betriebsart, in welcher das Auslassventil 14 vollständig geschlossen ist (das heißt, das Abgabeverhältnis ist Null), oder in einer Auslassbetriebsart arbeiten, in welcher das Auslassventil 14 gesteuert wird, mit einem vorbestimmten Abgabeverhältnis zu öffnen. Wenn die geschlossene Betriebsart ausgewählt wird, wird die Kommunikation des Anodengasflusskanals der Brennstoffzelle 2 mit der Systemaußenseite blockiert.
Andererseits steht der Anodengasflusskanal, wenn die Auslassbetriebsart ausgewählt ist, in Verbindung mit der Systemaußenseite, und das Anodengas kann auf die Systemaußenseite ausgestoßen werden. Jedoch ist das Abgabeverhältnis bei der Auslassbetriebsart gering, und der Durchfluss des Anodengases, welches zu der Systemaußenseite ausgestoßen wird, wird verglichen mit dem Verbrauch von Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal auf einen extrem kleinen Wert geregelt. In dem Folgenden wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems in der geschlossenen Betriebsart als ”Anodenkopfbetrieb” bezeichnet, und der Betrieb in dem Brennstoffzellensystem in der Auslassbetriebsart wird als ein ”Kleinmengenausstoßbetrieb” bzw. „Ausstoßbetrieb einer kleinen Menge” bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird die Gasmenge, die in einer Einheitszeit durch das Auslassventil 14 auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird, auch als ”Ausstoßdurchfluss” bezeichnet.
Die Brennstoffzelle 2 ist mit einem Luftzufuhrrohr 30 zur Zufuhr von Luft verbunden. Das Luftzufuhrrohr 30 ist mit einer Luftpumpe 32 ausgestattet. Luft wird durch die Luftpumpe 32 in das Luftzufuhrrohr 30 gesaugt und der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die der Brennstoffzelle 2 zugeführte Luft wird durch einen Zufuhrverteiler in der Brennstoffzelle 2 an die Kathoden der Zellen verteilt. Die durch die Kathoden der Zelle laufende Luft wird in einem Auslassverteiler in der Brennstoffzelle 2 gesammelt und an ein Auslassrohr 34 ausgestoßen.
Das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 hat eine elektronische Steuereinheit (ECU) 20. Die ECU 20 ist mit einem Amperemeter 22 und einem Temperatursensor 24 verbunden, die mit der Brennstoffzelle 2 verbunden sind. Das Wasserstoffzufuhrrohr 6 ist mit einem Drucksensor 26 ausgestattet. Der Drucksensor 26 ist mit der ECU 20 verbunden. Das Auslassventil 14 ist mit der ECU 20 verbunden. Die ECU 20 überträgt ein Steuersignal an das Auslassventil 14, um eine Ausstoßdurchflusssteuerung zu erzielen, welche die geschlossene Betriebsart und die Auslassbetriebsart umfasst.
Bei dem System gemäß Ausführungsbeispiel 1 ist eine Last 50 mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Brennstoffzelle 2 ist über einen Wandler 52 auch mit einem Speicher 54 elektrischer Energie verbunden. Die Last 50, welche die von der Brennstoffzelle 2 zugeführte elektrische Energie verbraucht, kann beispielsweise ein Motor sein. Bei dem System gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die elektrische Energie von der Brennstoffzelle 2 geeignet an die Last 50 oder den Speicher elektrischer Energie 54 zugeführt werden. Techniken zur Konstruktion eines derartigen Brennstoffzellensystems sind gut bekannt, und es werden ausführliche Beschreibungen der Brennstoffzelle weggelassen.
[Betriebe eines Systems gemäß Ausführungsbeispiel 1 bei Normalbetrieb]
In dem Folgenden werden Betriebe des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel bei dem Normalbetrieb und ein bei dem Normalbetrieb in der Brennstoffzelle 2 auftretendes Phänomen unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. In dem Folgenden wird zuerst eine Ansammlung einer Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal einer Zelle während eines Betriebs des Anodenkopfsystems beschrieben. Dann werden als Betriebszustände, die bei dem Normalbetrieb gemäß diesem Ausführungsbeispiel auftreten, der kontinuierliche Ausstoßbetrieb einer kleinen Menge bzw. Kleinmengeausstoßbetrieb und der Anodenkopfbetrieb beschrieben, und dann wird ein Verfahren eines Schaltens zwischen den beiden Betriebszuständen beschrieben.
2 ist ein schematisches Schaubild, das einen internen Aufbau einer Zelle in der Brennstoffzelle 2 und ein in der Zelle auftretendes Phänomen zeigt. 2 zeigt nur in die Charakteristika der vorliegenden Erfindung involvierte Teile und zeigt keine Teile, die nicht in die Charakteristika der vorliegenden Erfindung involviert sind, wie beispielsweise die Stromabnehmer und die Verteiler. In dem Folgenden wird eine Beschreibung unter Bezugnahme auf beide 1 und 2 vorgenommen.
Wie in 2 gezeigt, sind Gasflusskanäle 42 und 44 entlang den sich gegenüberliegenden Flächen einer Membranelektrodenanordnung 40 gebildet. Bei dem Normalbetrieb wird Wasserstoff an den Gasflusskanal 42 für die Anode der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt. Luft wird dem Gasflusskanal 44 für die Kathode der Membranelektrodenanordnung 40 zugeführt. Als ein Ergebnis tritt eine elektrochemische Reaktion über die Membranelektrodenanordnung 40 auf, um elektrische Energie zu erzeugen. Es ist zu erwähnen, dass die Form und Struktur bzw. der Aufbau der Gasflusskanäle 42 und 44 nicht besonders beschränkt ist. Beispielsweise können Rillen in den Flächen jedes Stromabnehmers (Trenneinrichtung) gebildet sein, und die Rillen können als die Gasflusskanäle 42 und 44 Verwendung finden. Alternativ kann eine aus einem leitfähigen Material angefertigte poröse Schicht zwischen jedem Stromabnehmer und der benachbarten Membranelektrodenanordnung 40 gebildet sein, und die fortlaufenden Poren in den porösen Schichten können als die Gasflusskanäle 42 und 44 Verwendung finden.
Die dem Kathodengasflusskanal 44 zugeführte Luft enthält nicht nur Sauerstoff (O₂), der zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird, sondern auch Stickstoff (N₂). Stickstoff ist ein Inertgas und trägt nicht zur Erzeugung elektrischer Energie bei, so dass der Stickstoff durch den Kathodengasflusskanal 44 auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird. Jedoch läuft ein Teil des Stickstoffes durch die Membranelektrodenanordnung 40, wie schematisch durch die Pfeile in 2 gezeigt, und tritt in den Anodengasflusskanal 42 ein. Die Bewegung des Stickstoffs in den Anodengasflusskanal 42 wird durch die Differenz in Stickstoffteildruck zwischen dem Kathodengasflusskanal 44 und dem Anodengasflusskanal 42 verursacht. Der Stickstoff (N₂), der durch die Membranelektrodenanordnung 40 gelaufen ist, fließt zu der stromabwärts gelegenen Seite des Anodengasflusskanals 42 mit dem Wasserstoff (H₂), der in dem Anodengasflusskanal fließt, wie durch die Pfeile in 2 schematisch gezeigt.
Luft enthält nicht nur Stickstoff sondern auch andere Verunreinigungen, die nicht zur Erzeugung elektrischer Energie beitragen, wie beispielsweise Wasserdampf und Kohlendioxid. Jedoch ist die Konzentration derartiger Verunreinigungen in der Luft extrem geringer als die Konzentration von Stickstoff, und daher wird in dieser Beschreibung ausschließlich Stickstoff als die Verunreinigung beschrieben. Dies bedeutet jedoch nicht, dass andere Substanzen als Stickstoff als die Verunreinigungen bei der vorliegenden Erfindung angenommen werden.
Falls der Stickstoff, der in den Anodengasflusskanal 42 eingetreten ist, als ein Ergebnis der Teildruckdifferenz die Fläche der Membranelektrodenanordnung 40 bedeckt, wird die elektromotorische Rückwirkung auf den Katalysator blockiert. Dies kann eine Abnahme der Ausgabespannung oder eine Verschlechterung der Membranelektrodenanordnung 40 aufgrund eines anormalen Potentials verursachen. Folglich wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der kontinuierliche Ausstoßbetrieb einer kleinen Menge bzw. kontinuierliche Kleinmengeausstoßbetrieb, bei welchem das Auslassventil 12 in die Auslassbetriebsart gesetzt ist, ausgeführt, um eine Ansammlung von Stickstoff bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 zu verhindern.
Wenn das Auslassventil 14 in die Auslassbetriebsart gesetzt ist, kann eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch von Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal 42 an die Systemaußenseite ausgestoßen werden. Auf diese Weise kann Stickstoff, der bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt ist, nach und nach auf die Außenseite des Systems ausgestoßen werden. Daher kann eine Ansammlung von Stickstoff, die zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle führt, verhindert werden, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird.
Die Verteilung von Verunreinigungen in dem Anodengasflusskanal variiert mit verschiedenen Arten von Faktoren. 3 ist ein Graph, welcher die Wasserstoffkonzentrationsverteilung in dem Anodengasflusskanal 42 bei dem Anodenkopfbetrieb zeigt. Die Stickstoffkonzentration kann durch Subtraktion der Wasserstoffkonzentration von 100% bestimmt werden. Die durchgezogene Linie in 3 zeigt eine Wasserstoffkonzentrationsverteilung bei einem Fall, bei welchem Stickstoff an dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt wird. Der kontinuierliche Kleinmengeausstoßbetrieb ist bei einem derartigen Fall effektiv, bei welchem Stickstoff bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt werden kann.
Die Stickstoffverteilung in dem Anodengasflusskanal 42 wird durch den Zustand des Flusses von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 bestimmt. Wenn Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 stromabwärts fließt, wie durch die Pfeile in 2 schematisch gezeigt, wird Stickstoff unvermeidbar an dem stromabwärts gelegenen Ende angesammelt. Der Fluss von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 wird durch die Diffusionsrate von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 und die Durchfluss von Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal 42 bestimmt. Falls die Durchfluss von Wasserstoff höher als die Diffusionsrate von Stickstoff ist, wird der durch die Membranelektrodenanordnung 40 gelaufene Stickstoff nicht stromaufwärts in den Anodengasflusskanal 42 diffundiert sondern er fließt stromabwärts. Als ein Ergebnis tritt die durch die durchgezogene Linie in 3 gezeigte Wasserstoffkonzentrationsverteilung auf.
Falls die Durchfluss von Wasserstoff geringer als die Diffusionsrate von Stickstoff ist, wird der Stickstoff stromaufwärts in dem Anodengasflusskanal 42 diffundiert, und es tritt beispielsweise die durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigte Wasserstoffkonzentrationsverteilung auf. Bei dem Fall der durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigten Wasserstoffkonzentrationsverteilung, oder in anderen Worten, bei dem Fall, bei welchem Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 verteilt ist, wird Wasserstoff verschwenderisch ausgestoßen, falls ein Ausstoß ausgeführt wird. Der Grund dafür liegt darin, dass Stickstoff nicht bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt wird. Bei einem derartigen Fall kann der Anodenkopfbetrieb ausgewählt werden, um einen Ausstoß von Wasserstoff zu unterbinden.
Die Entscheidung darüber, welcher Betrieb des Anodenkopfbetriebs und des kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetriebs verwendet wird, muss auf der Grundlage davon vorgenommen werden, ob kein Stickstoff bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt werden kann oder nicht. Auf diese Weise erfasst das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel indirekt den Stromabwärtsfluss von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 auf die nachfolgend beschriebene Weise.
Zuerst wird der Fluss von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 durch die Diffusionsrate von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 und die Fließrate bzw. der Durchfluss von Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal 42 bestimmt. Falls der Durchfluss von Wasserstoff höher als die Diffusionsrate von Stickstoff ist, wird der Stickstoff, der durch die Membranelektrodenanordnung 40 gelaufen ist, nicht stromaufwärts in dem Anodengasflusskanal 42 diffundiert sondern er wird stromabwärts fließen lassen. Als Folge davon tritt die durch die durchgezogene Linie in 3 gezeigte Wasserstoffkonzentrationsverteilung auf. Andererseits wird der Stickstoff, falls der Durchfluss von Wasserstoff geringer als die Diffusionsrate von Stickstoff ist, stromaufwärts in dem Anodengasflusskanal 42 diffundiert, und es tritt die durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigte Wasserstoffkonzentrationsverteilung auf.
Das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel misst nicht direkt der Durchfluss von Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal 42, sondern misst den Wert des Ausgabestroms der Brennstoffzelle 2 als eine physikalische Größe, die sich auf den Durchfluss von Wasserstoff bezieht. Der Durchfluss von Wasserstoff, der in den Anodengasflusskanal 42 fließt, wird durch den Ausgabestrom der Brennstoffzelle 2 einzigartig bestimmt, falls der Anodengasflusskanal 42 eine gleichmäßige Querschnittsform hat. Der Strom der Brennstoffzelle 2 wird durch das Amperemeter 22 gemessen, das an der Brennstoffzelle 2 angebracht ist.
Zudem misst das Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht direkt die Diffusionsrate von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42, sondern misst den Gasdruck und die Gastemperatur in dem Anodengasflusskanal 42 als physikalische Größen, die sich auf die Diffusionsrate von Stickstoff beziehen. Die Diffusionsrate von Stickstoff kann als eine Funktion der Gastemperatur und des Gasdrucks in dem Anodengasflusskanal 42 ausgedrückt werden. Der Gasdruck in dem Anodengasflusskanal 42 wird durch den Drucksensor 26 gemessen, der an dem Wasserstoffzufuhrrohr 6 bei dem Einlass der Brennstoffzelle 2 angebracht ist. Die Gastemperatur in dem Anodengasflusskanal 42 ist im Wesentlichen gleich der Temperatur der gesamten Brennstoffzelle 2, und daher kann sie indirekt durch den an der Brennstoffzelle 2 angebrachten Temperatursensor 24 gemessen werden. Selbstverständlich kann die Gastemperatur in dem Anodengasflusskanal 42 auch direkt gemessen werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel berechnet die ECU 20 einen Bezugswert aus den Messwerten von dem Drucksensor 26 und dem Temperatursensor 24 und berechnet einen Vergleichssollwert (mit derselben Größe bzw. Dimension wie der Bezugswert), der mit dem Bezugswert aus dem Messwert von dem Amperemeter 22 zu vergleichen ist. Die ECU 20 bestimmt auf der Grundlage des Vergleichs zwischen dem Bezugswert und dem Vergleichssollwert richtig, ob Stickstoff bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 angesammelt werden kann oder nicht, und schaltet die Betriebsart des Auslassventils 14 auf der Grundlage des Bestimmungsergebnisses.
[Betrieb eines Systems gemäß Ausführungsbeispiel 1 während eines Halts]
Nun wird ein Betrieb des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel während eines Halts bzw. Anhaltens beschrieben. Wie zuvor beschrieben, ist bei dem System gemäß diesem Ausführungsbeispiel Stickstoff (eine Verunreinigung) in dem Anodengasflusskanal vorhanden. Falls das Brennstoffzellensystem angehalten wird, wenn eine große Stickstoffmenge darin angesammelt ist, ist die Wasserstoffkonzentration in dem Anodengasflusskanal gering, wenn das System das nächste Mal gestartet wird. Folglich gibt es eine Möglichkeit, dass die Anlaufleistungsfähigkeit verschlechtert ist.
Dies kann effektiv verhindert werden, indem die Verunreinigung positiv ausgestoßen (gereinigt) wird, wenn das System angehalten wird. Jedoch wird bei einem Zustand, in welchem sowohl Stickstoff als auch Wasserstoff in dem Anodengasflusskanal existieren, nicht nur die Verunreinigung sondern auch Wasserstoff ausgestoßen, wenn das Auslassventil geöffnet ist. Insbesondere wird bei dem Zustand, bei welchem Wasserstoff weitverbreitet in dem Anodengasflusskanal verteilt ist, wie durch die gestrichelte Linie in 3 gezeigt, eine größere Wasserstoffmenge verschwenderisch ausgestoßen. Wie zuvor in Hinblick auf den Normalbetrieb beschrieben, ist es in Bezug auf eine Verbesserung der Brennstoffwirtschaftlichkeit wünschenswert, einen verschwenderischen Ausstoß von Wasserstoff zu unterbinden.
Wie in 3 gezeigt, variiert die Verteilung von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal mit dem Durchfluss von Wasserstoff. Der Durchfluss von Wasserstoff wird durch den Ausgabestrom der Brennstoffzelle 2 einzigartig bestimmt, falls der Anodengasflusskanal 42 die gleichmäßige Querschnittsform hat. Mit höher werdendem Durchfluss von Wasserstoff gegenüber der Diffusionsrate von Stickstoff und größer werdender Differenz dazwischen wird der Stickstoffkonzentrationsgradient steiler.
Bei dem kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb nimmt die Stickstoffmenge in dem Anodengasflusskanal ab, wenn der Konzentrationsgradient von Stickstoff als Ergebnis eines Drückens von Stickstoff in das stromabwärts gelegene Ende des Anodengasflusskanals steiler wird. Folglich wird bei diesem Ausführungsbeispiel, indem ein Vorteil einer derartigen Charakteristik des kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetriebs genutzt wird, Stickstoff gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren ausgestoßen. Zuerst wird die Last 50 oder der Wandler 52 gesteuert, um die Last auf die Brennstoffzelle 2 zu erhöhen, wodurch der Ausgabestromwert erhöht wird. Als Folge davon erhöht sich der Durchfluss von Wasserstoff, und der Konzentrationsgradient von Stickstoff wird steiler. Als Folge davon wird ganz bewusst ein Zustand erzeugt, bei welchem die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal klein ist. Daher kann die Stickstoffmenge in dem Anodengasflusskanal 42 reduziert werden, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff reduziert wird, wenn die Brennstoffzelle 2 angehalten wird.
Wenn sich der Durchfluss von Wasserstoff erhöht, und der Konzentrationsgradient von Stickstoff steiler wird, erhöht sich die Stickstoffkonzentration und zu derselben Zeit vermindert sich die Wasserstoffkonzentration an dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals. Wie zuvor beschrieben, ist es nicht vorzuziehen, dass die Stickstoffkonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals übermäßig hoch wird. Folglich wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausstoßfließrate bzw. der Ausstoßdurchfluss gemäß der Erhöhung des Durchflusses von Wasserstoff erhöht. Folglich kann der ausgestoßene Durchfluss erhöht werden, um das Heraufsetzen bzw. die Zunahme der Stickstoffmenge in dem stromabwärts gelegenen Teil zu löschen. Als ein Ergebnis kann eine exzellente Ausstoßsteuerung erzielt werden, indem es verhindert wird, dass die Stickstoffkonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals übermäßig hoch wird, und wobei zu derselben Zeit ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird.
4 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Konzepts der Verunreinigungsausstoßsteuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. In 4 zeigt die gestrichelte Linie einen Zustand, in welchem Stickstoff weitverbreitet in den Anodengasflusskanal verteilt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Ausgabestrom von diesem Zustand aus erhöht, und dementsprechend wird der Ausstoßdurchfluss des Auslassventils erhöht. Als Folge davon wird, wie durch den Pfeil in 4 gezeigt, Stickstoff in Richtung des stromabwärts gelegenen Endes des Anodengasflusskanals gedrückt und ausgestoßen. Eine durch das Bezugszeichen 60 in 4 bezeichnete Region repräsentiert eine Region, in welcher Stickstoff vor dem Ausstoß vorhanden war. Mit Erhöhung der Stickstoffmenge in dem stromabwärts gelegenen Teil erhöht sich auch die ausgestoßene Stickstoffmenge. Folglich wird Stickstoff ausgestoßen, während die Wasserstoffkonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Schließlich wird die Stickstoffmenge in dem Anodengasflusskanal durch die in 4 gezeigte durchgezogene Linie reduziert.
Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels, nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle, der Ausgabestromwert erhöht werden, um die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal zu reduzieren. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle nach Ausstoß der Verunreinigung in den Anodengasflusskanal angehalten werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases auf die Systemaußenseite unterbunden wird. Als eine Folge davon kann eine hohe Anlaufleistungsfähigkeit erzielt werden, wenn das System das nächste Mal gestartet wird.
Ein herkömmliches System hat einen Verdünner zur Reduktion der Wasserstoffkonzentration des an die Systemaußenseite ausgestoßenen Gases. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch die Wasserstoffkonzentration des an die Systemaußenseite ausgestoßenen Gases reduziert werden, indem ein Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird. Daher kann der Verdünner verringert oder weggelassen werden.
Darüber hinaus kann es, da der Ausstoßdurchfluss gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts der Brennstoffzelle 2 erhöht ist, effektiv verhindert werden, dass die Stickstoffkonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals übermäßig wird, wenn Stickstoff ausgestoßen wird während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird.
[Spezifische Verarbeitung gemäß Ausführungsbeispiel 1]
In dem Folgenden wird unter Bezugnahme auf 5 ein spezifischer Prozess beschrieben, der durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt wird. 5 ist ein Flussdiagramm, das eine in dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführte Routine zeigt. Dieser Fluss wird durchgeführt, wenn das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 in Betrieb ist. Auch wenn es bei der Routine von 5 nicht gezeigt ist, wird das System gemäß diesem Ausführungsbeispiel gesteuert, um zu arbeiten, wie zuvor in Hinblick auf den Normalbetrieb beschrieben, bis die Steuerung durch diese Routine unterbrochen wird.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel speichert die ECU 20 im Voraus ein Kennfeld, wie beispielsweise ein in 6 gezeigtes Kennfeld. Das in 6 gezeigte Kennfeld repräsentiert eine Entsprechung zwischen dem Ausgabestromwert der Brennstoffzelle 2 und der Menge der Verunreinigung (der Menge des Verunreinigungsgases) in dem Anodengasflusskanal 42, welches im Voraus durch Experiment oder dergleichen bestimmt wird. Das in 6 gezeigte Kennfeld wird durch experimentelles Bestimmen der Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 erlangt, indem der Ausgabestromwert in der Auslassbetriebsart mit einem fixierten Ausstoßdurchfluss geändert wird. Wie aus dem in 6 gezeigten Kennfeld ersichtlich, wird bei dem kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal mit größerem Ausgabestromwert der Brennstoffzelle 2 kleiner. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird unter Nutzung des Vorteils einer derartigen Charakteristik des kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetriebs die Verunreinigung effektiv ausgestoßen. Während einer Ausführung der in 5 gezeigten Routine wird geeignet auf das in 6 gezeigte Kennfeld Bezug genommen.
Bei der in 5 gezeigte Routine wird es zuerst bestimmt, ob sich die Zündung in dem AUS-Zustand befindet oder nicht (Schritt S100). Dieser Schritt beabsichtigt zu bestimmen, ob eine Anforderung zum Anhalten der Brennstoffzelle 2 vorhanden ist oder nicht. Falls die Bedingung bei Schritt S100 nicht erfüllt ist, wird es bestimmt, dass das System noch den Normalbetrieb durchzuführen hat, und das System wartet darauf, dass die Bedingung erfüllt ist.
Falls die Bedingung bei Schritt S100 erfüllt ist, wird es bestimmt, dass eine Anforderung zum Anhalten des Systems erlangt wird. In diesem Fall wird bei der in 5 gezeigten Routine die Prozedur von Schritt S102 durchgeführt, um die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 der Brennstoffzelle 2 auszustoßen. Bei Schritt S102 wird die Menge V_oi an Verunreinigung in der Brennstoffzelle 2 bei dem derzeitigen Lastzustand berechnet. Insbesondere wird zuerst die dem derzeitigen Ausgabestromwert I_i entsprechende Menge V_oi von Verunreinigung durch Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Kennfeld bestimmt. Dann wird durch erneute Bezugnahme auf das in 6 gezeigte Kennfeld die Menge V_oi+1 an Verunreinigung berechnet (Schritt S104), das dem Ausgabestromwert (I_i + ΔI) entspricht, welcher die Summe des derzeitigen Ausgabestromwerts I_i und eines vorbestimmten Inkrements ΔI ist.
Dann wird der Ausgabestromwert auf I_i + ΔI erhöht, während der Ausstoßdurchfluss derart erhöht wird, dass sich die Menge des ausgestoßenen Gases um ein Inkrement bzw. Heraufsetzmaß ΔV_o (= V_oi – V_oi+1) bei der Menge der Verunreinigung erhöht (Schritt S106). Insbesondere wird zuerst das Auslassventil 14 in die Auslassbetriebsart gesetzt. Dann wird das Auslassventil 14 gesteuert, um die Menge an ausgestoßenem Gas um ΔV_o von der ausgestoßenen Gasmenge zu erhöhen, das von dem derzeitigen Ausstoßdurchfluss (die normale Menge an ausgestoßenem Gas) erwartet wird. Der Ausgabestromwert wird erhöht, indem die Last 50 oder der Wandler 52 gesteuert werden.
Wenn der Ausgabestrom um ΔI erhöht wird, wird es erwartet, dass sich der Durchfluss von Wasserstoff erhöht, und es erhöht sich die Verunreinigungskonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals 42. Die Verarbeitung bei Schritt S106 ermöglicht es, dass die Ausstoßdurchfluss erhöht wird, während eine derartige Konzentrationserhöhung unterbunden wird. Auch wenn es nicht in dem Flussdiagramm von 5 gezeigt ist, wird bei diesem Ausführungsbeispiel eine übermäßige elektrische Energie, die aus der Erhöhung des Ausgabestromwerts bei Schritt S106 resultiert, in dem Speicher 54 elektrischer Energie gespeichert.
Dann wird es bestimmt, ob der derzeitige Ausgabestromwert gleich oder höher als ein vorbestimmter Anhaltezeitsollwert ist oder nicht (Schritt S108). Insbesondere wird es bestimmt, ob der Ausgabestromwert I_i + ΔI gleich oder höher als der Anhaltezeitsollwert I_A ist oder nicht. Der Anhaltezeitsollwert I_A ist im Voraus in dem in 6 gezeigten Kennfeld definiert und dient als eine Basis zur Bestimmung davon, ob ein Ausstoß der Verunreinigung beendet ist oder nicht.
Durch die Prozedur von Schritt S102 bis Schritt S106 variiert die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 mit dem Ausgabestrom, wie in 6 gezeigt. Als ein Ergebnis vermindert sich die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 mit sich erhöhendem Ausgabestrom. Folglich ist ein Sollwert V_A der Menge der Verunreinigung als ein adäquater kleiner Wert definiert, und es wird der Anhaltezeitsollwert I_A bestimmt, der dem Sollwert V_A entspricht. Die Verunreinigung kann zuverlässig reduziert werden, indem die Prozedur von Schritt S102 wiederholt wird, bis der Ausgabestromwert gleich oder höher als der Sollwert V_A wird.
Falls die Bedingung bei Schritt S108 nicht erfüllt wird, wird es bestimmt, dass die Menge der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 nicht ausreichend reduziert ist. In diesem Fall wird die Prozedur von Schritt S102 erneut durchgeführt. Falls die Bedingung bei Schritt S108 erfüllt ist, wird es bestimmt, dass die Verunreinigung ausreichend ausgestoßen ist. Folglich geht der Vorgang zu einem Systemanhalteschritt S108 weiter und die derzeitige Routine ist beendet.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Prozess kann die Brennstoffzelle 2 angehalten werden, nachdem die Verunreinigung ausgestoßen ist, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff auf die Systemaußenseite unterbunden wird. Darüber hinaus kann es, da die Menge an ausgestoßenem Gas gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts der Brennstoffzelle 2 erhöht wird, effektiv verhindert werden, dass die Stickstoffkonzentration in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals übermäßig wird. Darüber hinaus kann, da die übermäßige elektrische Energie, die aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts bei Schritt S106 erzeugt wird, in dem Speicher 54 elektrischer Energie gespeichert wird, die erzeugte elektrische Energie effizient verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wurde ein Fall beschrieben, bei welchem ein Schalten des Auslassventils 14 in die Auslassbetriebsart während Schritt S106 auftritt. Jedoch hängt gemäß der Steuerung bei dem Normalbetrieb gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Entscheidung darüber, ob sich das Auslassventil 14 in der Auslassbetriebsart oder der geschlossenen Betriebsart befindet oder nicht, von der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ab. Daher wird der Zustand des Auslassventils 14 bei Schritt S106 geprüft, und falls das Auslassventil 14 bereits in die Auslassbetriebsart gesetzt ist, kann die Auslassbetriebsart fortgesetzt werden. Auch wenn sich das Auslassventil 14 in der geschlossenen Betriebsart befindet, wenn die Prozedur von Schritt S102 gestartet wird, gibt es kein Problem, falls das Auslassventil 14 in die Auslassbetriebsart geschaltet wird, bevor der Ausgabestrom bei Schritt S106 erhöht wird.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel 1 entspricht die Brennstoffzelle 2 der ”Brennstoffzelle” gemäß dem früher beschriebenen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und das Auslassventil 14 entspricht dem ”Auslassmechanismus” gemäß dem früher beschriebenen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Zudem steht bei den spezifischen Verarbeitungen bei den Schritten S102 bis S108 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 die Steuerung des Ausgabestromwerts in Beziehung mit der ”Ausgabesteuereinrichtung” gemäß dem früher beschriebenen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Steuerung des Auslassventils 14 steht in Beziehung mit der ”Ausstoßsteuereinrichtung” gemäß dem früher beschriebenen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, und der Anhaltezeitsollwert I_A entspricht dem ”vorbestimmten Wert” gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
[Modifikationen von Ausführungsbeispiel 1]
(Erste Modifikation)
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird als ein Verfahren eines Steuerns des Systems während des Normalbetriebs ein Verfahren eines Schaltens des Betriebszustands zwischen dem Anodenkopfbetrieb und dem kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb auf der Grundlage einer vorbestimmten Bedingung verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das heißt, die Ausstoßsteuerung während eines Anhaltens gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 kann auf ein System angewendet werden, das beispielsweise immer den kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb während des Normalbetriebs durchführt. Die Ausstoßsteuerung während eines Halts gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 kann auf ein beliebiges System angewendet werde, in welchem eine Verunreinigung in den Anodengasflusskanal eintreten kann, und es kann ein Verunreinigungskonzentrationsgradient in dem Anodengasflusskanal auftreten (das heißt einem beliebigen Anodenkopfsystem).
(Zweite Modifikation)
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird, nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle, der Ausgabestromwert auf einen vorbestimmten Wert erhöht, und der Ausstoßdurchfluss wird gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts der Brennstoffzelle 2 erhöht. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Das heißt, wenn der Ausgabestromwert nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht wird, muss der Ausstoßdurchfluss nicht immer gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts erhöht werden. Insbesondere kann eine Erhöhung des Ausgabestromwerts (Erhöhen der durch die Last 50 beigetragenen Last) alles bei Schritt S106 in der in 5 gezeigten Routine durchgeführt werden. In diesem Fall kann ein Ventil, das den Ausstoßdurchfluss nicht ändern kann, als das Auslassventil 14 Verwendung finden.
(Eine andere Modifikation)
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird die übermäßige elektrische Energie aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts bei Schritt S106 in dem Speicher 54 elektrischer Energie gespeichert. Die elektrische Energie muss jedoch nicht immer in dem Speicher 54 elektrischer Energie gespeichert werden. Der Überschuss von elektrischer Energie kann beispielsweise durch eine andere Vorrichtung in dem System verbraucht werden.
Der Anhaltezeitsollwert I_A wird durch die Beziehung zwischen dem Durchfluss von Wasserstoff und der Diffusionsrate von Stickstoff in dem Anodengasflusskanal 42 beeinflusst. Vorausgesetzt, dass ein Ausgabestromwert, mit welchem der Durchfluss von Wasserstoff und die Diffusionsrate von Stickstoff im Gleichgewicht befinden, als ein Bezugswert Verwendung findet, wird mehr an Menge an Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 reduziert, je mehr der Anhaltezeitsollwert I_A den Bezugswert überschreitet. In Anbetracht der Variation der Diffusionsrate von Stickstoff werden das in 6 gezeigte Kennfeld und der Anhaltezeitsollwert I_A vorzugsweise auf der Grundlage der Gastemperatur und des Gasdrucks in dem Anodengasflusskanal 42 gesetzt und korrigiert.
Ausführungsbeispiel 2
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 wird die Verunreinigung ausgestoßen, wenn das System angehalten ist. Bei dem Ausführungsbeispiel 2 wird jedoch eine ähnliche Ausstoßsteuerung durchgeführt, wenn eine Anforderung zur Durchführung eines Unterbrechungsbetriebs an das System ausgegeben wird. Das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hat dieselbe Konfiguration wie das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1. Die folgende Beschreibung wird unter der Annahme gemacht, dass das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 die in 1 gezeigte Konfiguration hat und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
Die Brennstoffzelle 2 führt einen kontinuierlichen Betrieb aus, bei welchem die Brennstoffzelle 2 immer elektrische Energie erzeugt, und einen Unterbrechungsbetrieb bzw. Intervallbetrieb, bei welchem eine Erzeugung von elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 2 mit Unterbrechungen bzw. zeitweise gestoppt wird. Wenn die durch die Last 50 erforderliche Menge elektrischer Energie klein ist, kann eine Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 2 mit Unterbrechungen bzw. zeitweise gestoppt werden, um den Verbrauch von Wasserstoff zu reduzieren und die Brennstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern. Bei dem Ausführungsbeispiel 2 überträgt die ECU 20 ein Steuersignal an jede Komponentenvorrichtung, um ein Schalten zwischen diesen Betriebszuständen wie erforderlich durchzuführen. Sich auf den Intervallbetrieb beziehende Techniken sind gut bekannt, und daher werden ausführliche Beschreibungen der Brennstoffzelle weggelassen.
Der Intervallbetrieb wird vorzugsweise gestartet, nachdem der Anodengasflusskanal 42 gereinigt ist. Auf diese Weise bestimmt das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 2, ob eine Anforderung zur Durchführung des Intervallbetriebs vorhanden ist oder nicht, während das System den Normalbetrieb durchführt. Falls eine Anforderung zur Durchführung des Intervallbetriebs vorhanden ist, wird der Intervallbetrieb gestartet, nachdem der Ausstoß der Verunreinigung bei dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt wird.
In dem Folgenden wird ein spezifischer Prozess gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 unter Bezugnahme auf das in 7 gezeigte Flussdiagramm beschrieben. Das in 7 gezeigte Flussdiagramm ist dasselbe wie das in 5 Gezeigte mit Ausnahme davon, dass die Schritte S100, S108 und S110 jeweils durch die Schritte S200, S208 und S210 ersetzt sind. Auch bei dem Ausführungsbeispiel 2 speichert die ECU 20 im Voraus ein Kennfeld, wie beispielsweise das in 6 gezeigte Kennfeld. Wenn die in 7 gezeigte Routine durchgeführt wird, wird auf das Kennfeld zugegriffen, wie bei dem Ausführungsbeispiel 1. Auch bei dem Ausführungsbeispiel 2 wird, auf der Grundlage desselben Konzepts wie bei dem Ausführungsbeispiel 1, bei welchem der Sollwert I_A gesetzt ist, ein Sollwert des Ausgabestroms im Voraus als ein Wert bestimmt, der als eine Grundlage zur Bestimmung davon verwendet wird, ob die Menge der Verunreinigung genug reduziert ist, um den Intervallbetrieb zu starten.
Bei der in 7 gezeigten Routine wird es zuerst bestimmt, ob eine Anforderung zum Starten des Intervallbetriebs vorhanden ist oder nicht (Schritt S200). Falls keine Anforderung zum Starten des Intervallbetriebs vorhanden ist, setzt sich der kontinuierliche Betrieb fort. Falls die Bedingung bei Schritt S200 erfüllt ist, wird die Prozedur von Schritt S102 bis S106 wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt.
Nachdem die Verarbeitung von Schritt S106 durchgeführt ist, wird es bestimmt, ob die derzeitige Last gleich oder größer als der Sollwert ist oder nicht (Schritt S208). Auch bei dem Ausführungsbeispiel 2 wird, auf der Grundlage desselben Konzepts wie bei dem Ausführungsbeispiel 1, bei welchem der Sollwert I_A gesetzt wird, der Sollwert des Ausgabestroms im Voraus bestimmt. Dieser Schritt ermöglicht eine Bestimmung davon, ob die Menge an Verunreinigung ausreichend reduziert ist, bevor der Intervallbetrieb gestartet wird. Bis die Bedingung bei Schritt S208 erfüllt wird, wird die Prozedur von Schritt S102 wiederholt durchgeführt. Wenn die Bedingung bei Schritt S208 erfüllt ist, geht der Prozess zu einer Verarbeitung eines Startens des Intervallbetriebs weiter (Schritt S210), und die derzeitige Routine ist beendet.
Wie zuvor beschrieben, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel 2, nach einer Anforderung zum Starten des Intervallbetriebs, die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff an das Äußere des Systems unterbunden wird. Auf diese Weise kann der Betrieb der Brennstoffzelle 2 in den Intervallbetrieb geschaltet werden, nachdem die Menge an Verunreinigung reduziert ist, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff unterbunden wird.
Das Ausführungsbeispiel 2 kann mit dem Ausführungsbeispiel 1 kombiniert werden. Alternativ kann das Ausführungsbeispiel 2 auf dieselben Weisen wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 modifiziert werden. Das heißt, das Verfahren des Normalbetriebs kann aus dem Verfahren eines Schaltens des Betriebszustands zwischen dem Anodenkopfbetrieb und dem kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb auf der Grundlage einer vorbestimmten Bedingung, dem Verfahren eines Durchführens von nur dem kontinuierlichen Kleinmengeausstoßbetrieb und dergleichen geeignet ausgewählt werden. Die bei dem Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Modifikationen können auf das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 angewendet werden.
Ausführungsbeispiel 3
Wie zuvor beschrieben, wird während einem Anhalten des Systems bei dem Ausführungsbeispiel 1, oder wenn der Intervallbetrieb bei dem Ausführungsbeispiel 2 gestartet wird, ein Ausstoß (Reinigen) ausgeführt, wobei die Verunreinigung in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals 42 gesammelt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel 3 wird es von dem Gesichtspunkt eines Erweiterns der Anwendung der Ausstoßsteuerung bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist oder nicht, und die zur beschriebene Ausstoßsteuerung wird durchgeführt, wenn es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist. Das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 hat dieselbe Konfiguration wie das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1. Die folgende Beschreibung wird unter der Annahme vorgenommen, dass das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 die in 1 gezeigte Konfiguration hat, und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
8 ist ein Flussdiagramm, welches eine Routine zeigt, die durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 durchgeführt wird. Die in 8 gezeigte Routine ist dieselbe wie die in 5 Gezeigte mit Ausnahme davon, dass die Schritte S100, S108 und S110 jeweils durch die Schritte S300, S308 und S310 ersetzt sind. Das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 setzt auch das in 6 veranschaulichte Kennfeld und einen Sollwert des Ausgabestroms wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2.
Bei der in 8 gezeigten Routine wird es zuerst bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist oder nicht (Schritt S300). Falls es bestimmt wird, dass keine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist, wird der derzeitige Zustand aufrechterhalten, und es wird auf eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens gewartet. Falls es bei Schritt S300 bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist, wird die Prozedur von Schritt S102 bis S106 wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt.
Nachdem die Verarbeitung von Schritt S106 durchgeführt ist, wird es bestimmt, ob die derzeitige Ausgabe gleich oder größer als der Sollwert ist oder nicht (Schritt S308). Dieser Schritt ermöglicht eine Bestimmung davon, ob die Menge an Verunreinigung ausreichend reduziert ist. Bis die Bedingung bei Schritt S308 erfüllt wird, wird die Prozedur von Schritt S102 wiederholt durchgeführt. Wenn die Bedingung bei Schritt S308 erfüllt ist, wird Reinigen beendet (Schritt S310), und die derzeitige Routine ist beendet.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel 3 kann, nach einer Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle, die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß des Brennstoffgases an die Systemaußenseite unterbunden wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel 3 ist die Verarbeitung von Schritt S300 mit der ”Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung” bei dem früher beschriebenen vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung in Beziehung.
Bei dem Ausführungsbeispiel 3 wird, falls es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle auftritt, wenn eine Anforderung zum Anhalten der Brennstoffzelle 2 auftritt, dieselbe Steuerung wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 durchgeführt. Darüber hinaus wird bei dem Ausführungsbeispiel 3, falls es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle auftritt, wenn eine Anforderung zum Starten des Intervallbetriebs der Brennstoffzelle 2 auftritt, dieselbe Steuerung wie bei dem Ausführungsbeispiel 2 durchgeführt. Das heißt, das Ausführungsbeispiel 3 kann auf verschiedenste Arten von Systemen angewendet werden, die auf der Grundlage der Steuerung oder des Betriebszustands der Brennstoffzelle bestimmen, ob eine Reinigungsanforderung vorhanden ist oder nicht. Auch bei dem Ausführungsbeispiel 3 kann, wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2, das Verfahren des Normalbetriebs der Brennstoffzelle geeignet modifiziert werden. Darüber hinaus können dieselben Modifikationen vorgenommen werden, wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 beschrieben.
Ausführungsbeispiel 4
Bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 wird der Ausgabestrom der Brennstoffzelle 2 erhöht, wobei das Auslassventil 14 an dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 in die Auslassbetriebsart gesetzt ist. Ein Ausführungsbeispiel 4 ist dasselbe wie die Ausführungsbeispiele 1 bis 3 dahingehend, dass sich der Ausgabestromwert der Brennstoffzelle 2 nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 2 erhöht, aber es unterscheidet sich von diesen Ausführungsbeispielen in der Steuerung des Auslassventils. Die folgende Beschreibung wird unter der Annahme gemacht, dass das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 dieselbe Konfiguration wie das (in 1 gezeigte) System gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 hat, und redundante Beschreibungen werden weggelassen.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Routine zeigt, die durch das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 durchgeführt wird. Das System gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 setzt das Auslassventil 14 während des Normalbetriebs in die geschlossene Betriebsart, und die in 9 gezeigte Routine wird während eines derartigen Normalbetriebs durchgeführt. Bei der in 9 gezeigten Routine wird es zuerst bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist oder nicht (Schritt S400). Bei diesem Schritt wird, wie bei Schritt S300 bei dem Prozess gemäß dem zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel 3, es bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle 2 vorhanden ist oder nicht. Eine Bestimmung darüber, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle vorhanden ist, kann auf der Grundlage einer Anforderung zum Anhalten der Brennstoffzelle 2 oder einer Anforderung zur Durchführung des Intervallbetriebs der Brennstoffzelle 2, wie beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel 3 beschrieben, vorgenommen werden.
Falls eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist, wird der Ausgabestrom der Brennstoffzelle 2 erhöht, und dann wird ein Auslassventil 414 geöffnet. Die Zeit eines Öffnens des Auslassventils 414 kann nach einer Erhöhung des Ausgabestromwerts sein (zu derselben Zeit, wenn oder nachdem der Ausgabestromwert erhöht wird). Wie zuvor beschrieben, wird als ein Ergebnis einer Erhöhung des Ausgabestromwerts die Verunreinigung bei dem stromabwärts gelegenen Ende des Anodengasflusskanals 42 gesammelt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 4 kann ein Ausstoß in einem Zustand durchgeführt werden, in welchem die Verunreinigung in dem stromabwärts gelegenen Teil des Anodengasflusskanals 42 auf diese Weise gesammelt wird. Daher kann die Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal 42 ausgestoßen werden, während ein verschwenderischer Ausstoß von Wasserstoff zu der Systemaußenseite unterbunden wird.
Das Auslassventil 14 bei dem Ausführungsbeispiel 4 kann ein Reinigungsventil bzw. Absaugventil bzw. Spülventil sein, das einfach geöffnet und geschlossen wird. In diesem Fall umfasst der Normalbetrieb des Systems nicht die Auslassbetriebsart, was sich von den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 unterscheidet. Das heißt, das System führt das zuvor beschriebene Reinigen durch, während der Anodenkopfbetrieb durchgeführt wird.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung wurde ausgearbeitet, um die zuvor beschriebenen Probleme zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches eine Verunreinigung in einem Anodengasflusskanal ausstoßen kann, während ein verschwenderischer Ausstoß eines Brennstoffgases auf die Systemaußenseite unterbunden wird.
Ein Auslassventil ist mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals der Brennstoffzelle verbunden. Das Auslassventil hat eine Auslassbetriebsart, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch eines Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird. Nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle wird der Ausgabestromwert der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht. Dann wird das Auslassventil in die Auslassbetriebsart gesetzt, bevor oder wenn der Ausgabestrom erhöht ist, und der Ausstoßdurchfluss des Auslassventils wird gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-353569 [0002, 0002]
- JP 2005-353303 [0002]
- JP 2005-243477 [0002]
- JP 9-312167 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird; einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird; einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle nach einer Anforderung zum Stoppen von Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht; und einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei der Auslassmechanismus in der Lage ist, den Ausstoßdurchfluss zu ändern, und die Ausstoßsteuereinrichtung den Ausstoßdurchfluss des Auslassmechanismus gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung erhöht.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, zudem mit: einem Speicher elektrischer Energie, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei zumindest ein Teil der Zunahme der Ausgabeenergie aufgrund der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung in dem Speicher elektrischer Energie gespeichert wird.
Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird; einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird; einer Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung, welche bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle vorhanden ist oder nicht; einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist; und einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, wobei die Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung eine Intervallbetriebzeit-Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung umfasst, welche bestimmt, dass eine Anforderung vorhanden ist, ein Reinigen der Brennstoffzelle durchzuführen, wenn eine Anforderung vorhanden ist, den Betrieb der Brennstoffzelle in einen Intervallbetrieb zu schalten, bei welchem eine Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle zeitweise gestoppt wird.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei der Auslassmechanismus in der Lage ist, den Ausstoßdurchfluss zu ändern, und die Ausstoßsteuereinrichtung den Ausstoßdurchfluss des Auslassmechanismus gemäß der Erhöhung des Ausgabestromwerts durch die Ausgabesteuereinrichtung erhöht.
Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird; einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist und eine Auslassbetriebsart hat, in welcher eine wesentlich kleinere Gasmenge als der Verbrauch des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal auf die Systemaußenseite ausgestoßen wird; einer ersten Messeinrichtung, welche eine physikalische Größe misst, die sich auf den Durchfluss des Brennstoffgases in dem Anodengasflusskanal bezieht; einer zweiten Messeinrichtung, welche eine physikalische Größe misst, die sich auf die Diffusionsrate einer Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal bezieht; einer Durchflusssteuereinrichtung, welche nach einer Anforderung zum Stoppen einer Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle den Durchfluss des Brennstoffgases derart erhöht, dass der Durchfluss des Brennstoffgases durch den Anodengasflusskanal höher als die Diffusionsrate der Verunreinigung in dem Anodengasflusskanal ist; und einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus in die Auslassbetriebsart setzt, bevor oder wenn die Durchflusssteuereinrichtung den Durchfluss des Brennstoffgases erhöht.
Brennstoffzellensystem, mit: einer Brennstoffzelle, welche eine elektrische Energie unter Verwendung eines Brennstoffgases, das einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, und Luft erzeugt, die einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird; einem Auslassmechanismus, welcher mit einem stromabwärts gelegenen Ende eines Anodengasflusskanals verbunden ist; einer Reinigungsanforderungsbestimmungseinrichtung, welche bestimmt, ob eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens der Brennstoffzelle vorhanden ist oder nicht; einer Ausgabesteuereinrichtung, welche den Ausgabestromwert der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Wert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung zur Durchführung eines Reinigens vorhanden ist; und einer Ausstoßsteuereinrichtung, welche den Auslassmechanismus geschlossen hält, zumindest bis die Ausgabesteuereinrichtung den Ausgabestromwert erhöht, nachdem es bestimmt wird, dass eine Anforderung vorhanden ist, ein Reinigen der Brennstoffzelle durchzuführen, und den Auslassmechanismus in einen geöffneten Zustand schaltet, nachdem der Ausgabestromwert erhöht ist.