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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche die Konzentrationsverteilung
von Verunreinigungen auf der Anodenseite eines Gaskanals einer Brennstoffzelle
bestimmt, die elektrische Energie durch Versorgung mit einem Brennstoff
auf der Anode und mit Luft auf der Kathode erzeugt.
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2. Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme,
die mit einem innerhalb eines anodenseitigen Gaskanals in einer Brennstoffzelle
gehaltenen Brennstoff arbeiten (welche nachstehend als Systeme mit
Anodensackgasse in Bezug genommen sind), sind beispielsweise aus den
Druckschriften
JP-A-2005-353569 ,
JP-A-2005-327597 ,
JP-A-2003-317752 ,
JP-A-2005-353303 ,
JP-A-9-312167 usw.
bekannt. Bei den Systemen mit Anodensackgasse sammeln sich Verunreinigungssubstanzen
wie etwa Stickstoff (N
2, Wasserdampf, usw.
auf der Anodenseite des Gaskanals einer Brennstoffzelle mit Ablauf
der Betriebsdauer an. Falls derartige Verunreinigungssubstanzen
die Oberfläche einer Membran-Elektrode-Anordnung (MEA)
bedecken, wird die elektromotorische Reaktion auf dem Elektrodenkatalysator
unterbunden, was zu einem Spannungsabfall führt. Im Übrigen
kann das erzeugte abnormale elektrische Potenzial die Membran-Elektrode-Anordnung
(MEA) verschlechtern. Daher wird bei den bekannten Systemen mit
Anodensackgasse ein Abgasventil zu einem geeigneten Zeitpunkt geöffnet,
so dass die in dem anodenseitigen Gaskanal angesammelten Verunreinigungssubstanzen
aus einem stromabwärts gelegenen Endabschnitt der Anode
aus dem Brennstoffzellensystem ausgestoßen werden.
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Wenn
bei dem bekannten System mit Anodensackgasse das Abgasventil geöffnet
wird, werden sowohl der Brennstoff im anodenseitigen Gaskanal als
auch die Verunreinigungssubstanzen emittiert. Daher erzeugt ein
wiederholtes Öffnen des Abgasventils eine verschlechterte
Brennstoffökonomie und ist daher nicht bevorzugt. Im Übrigen
kann die verschwendend emittierte Menge des Brennstoffs entsprechend
beschränkt werden, falls das Abgasventil geöffnet
wird, wenn die Verunreinigungssubstanzen in ausreichendem Maße
in einem stromabwärts gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen
Gaskanals angesammelt sind. Daher ist unter dem Gesichtspunkt der
Verbesserung der Brennstoffökonomie bevorzugt, dass die Öffnungsfrequenz
des Abgasventils so stark wie möglich eingeschränkt
ist.
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Andererseits
ist unter dem Gesichtspunkt der Bewahrung der Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle die konzentrierte Ansammlung von Verunreinigungssubstanzen
in dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen
Gaskanals nicht bevorzugt. Der Grund hierfür ist, dass
die konzentrierte Ansammlung von Verunreinigungssubstanzen einen
Abfall in der Ausgangsspannung und eine Verschlechterung der Membran-Elektrode-Anordnung
verursacht, wie es vorstehend beschrieben ist. Dies bedeutet, dass
bezüglich des bekannten Systems mit Anodensackgasse verlangt
wird, die beiden gegenläufigen Aufgaben gleichzeitig zu
erreichen, das heißt eine Vermeidung eines Abfalls in der Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle, resultierend aus einer Ansammlung von Verunreinigungssubstanzen,
und die Verbesserung der Brennstoffökonomie durch Beschränkung
der Emissionsmenge des Brennstoffs.
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Eine
Erfüllung dieser Anforderungen bei dem bekannten System
mit Anodensackgasse ist jedoch nicht leicht. Zum Erfüllen
der Anforderungen ist es nötig, das Abgasventil gemäß der
Ansammlungssituation von Verunreinigungssubstanzen im stromabwärts
gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals zu öffnen.
Ein Verfahren zur genauen Bestimmung der Ansammlungssituation wurde
jedoch noch nicht ermittelt. Im Übrigen ist die vorliegend
geforderte Bestimmung der Ansammlungssituation nicht eine bloße
Bestimmung der Menge angesammelter Verunreinigungssubstanzen. Damit
die Verunreinigungssubstanzen zuverlässig emittiert werden, während
eine verschwenderische Emission des Brennstoffes vermieden wird,
ist es nötig, zu bestimmen, wo die Verunreinigungssubstanzen
in dem anodenseitigen Gaskanal existieren, und was für
eine Menge an Verunreinigungssubstanzen existiert, das heißt
die Konzentrationsverteilung von Verunreinigungssubstanzen im anodenseitigen
Gaskanal zu bestimmen.
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ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
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In
Anbetracht der vorstehend beschriebenen Aufgaben wurde die Erfindung
erzielt und stellt eine Bestimmungsvorrichtung, die zur genauen
Bestimmung der Konzentrationsverteilung von Verunreinigungssubstanzen
im anodenseitigen Gaskanal befähigt ist, sowie ein Brennstoffzellensystem
bereit, das unter Verwendung der Bestimmungsvorrichtung in der Lage
ist, sowohl den aus der Ansammlung von Verunreinigungssubstanzen
im anodenseitigen Gaskanal resultierenden Abfall in der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
zu vermeiden als auch die aus dem Brennstoffzellensystem nach außen
emittierte Brennstoffmenge zu beschränken.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird eine Konzentrationsverteilungsbestimmungsvorrichtung
für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die eine Anode
und eine Kathode auf gegenüberliegenden Seiten einer Elektrolytmembran
aufweist, und die elektrische Leistung durch Versorgung mit einem Brennstoff
auf der Anode und mit Luft auf der Kathode erzeugt. Die Vorrichtung
bestimmt eine Konzentrationsverteilung einer Verunreinigungssubstanz
in einem Gaskanal auf einer Anodenseite in der Brennstoffzelle.
Die Bestimmungsvorrichtung beinhaltet: eine Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung,
die durch Abschätzung die Menge einer in dem anodenseitigen
Gaskanal existierenden Verunreinigungssubstanz berechnet; eine Verunreinigungssubstanzverteilungsbestimmungsvorrichtung,
die durch Abschätzung die Verteilung einer Existenzrate
der Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen Gaskanal berechnet;
und eine Konzentrationsverteilungsberechnungsvorrichtung, die die
Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen
Gaskanal auf der Grundlage der durch die Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung
bestimmten Menge der Verunreinigungssubstanz und der durch die Verunreinigungssubstanzverteilungsbestimmungsvorrichtung
bestimmten Verteilung der Existenzrate der Verunreinigungssubstanz
die Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz in dem
anodenseitigen Gaskanal berechnet.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Konzentrationsverteilung
der Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen Gaskanal auf der
Grundlage der Ergebnisse der Abschätzung genau bestimmt
werden, da die Menge der in dem anodenseitigen Gaskanal existierenden
Verunreinigungssubstanz und die Verteilung ihrer Existenzrate durch
Abschätzung berechnet werden.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung ist außerdem
bevorzugt, dass die Verunreinigungssubstanzverteilungsbestimmungsvorrichtung
umfasst: eine Druckmessvorrichtung, die einen Gasdruck in dem anodenseitigen
Gaskanal misst; eine Flussraten-bezogene Größenmessvorrichtung,
die eine auf die Flussratenverteilung des Brennstoffs in dem anodenseitigen
Gaskanal bezogene physikalische Größe misst; und
eine Existenzratenberechnungsvorrichtung, die eine Existenzrate der
Verunreinigungssubstanz an jedem Ort in dem anodenseitigen Gaskanal
auf der Grundlage eines Messwertes von der Druckmessvorrichtung
sowie eines Messwertes von der Flussraten-bezogenen Größenmessvorrichtung
berechnet.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung können
die Existenzraten der Verunreinigungssubstanz an den Stellen in
dem anodenseitigen Gaskanal auf der Grundlage dieser Messwerte genau
berechnet werden, da der Gasdruck in dem anodenseitigen Gaskanal
und eine auf die Flussratenverteilung des Brennstoffs in dem anodenseitigen
Gaskanal-bezogene physikalische Größe gemessen
werden. Dies bedeutet, dass es möglich wird, die Verteilung
der Existenzrate der Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen
Gaskanal durch Abschätzung mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
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Bei
der Bestimmungsvorrichtung ist außerdem bevorzugt, dass
die Flussraten-bezogene Größenmessvorrichtung
den Wert des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle misst.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Flussratenverteilung des
Brennstoffs in dem anodenseitigen Gaskanal leicht und genau bestimmt
werden, da der Wert des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle
gemessen wird.
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Bei
der Bestimmungsvorrichtung ist weiterhin auch bevorzugt, dass die Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung
umfasst: eine Durchdringungsmengen-bezogene Größenmessvorrichtung,
die eine physikalische Größe misst, die sich auf
eine Durchdringungsmenge pro Flächeneinheit der durch die
Elektrolytmembran von einer Kathodenseite zu einer Anodenseite durchdringenden
Verunreinigungssubstanz bezieht; eine Standarddurchdringungsmengenberechnungsvorrichtung,
die eine Standarddurchdringungsmenge berechnet, welche die Durchdringungsmenge pro
Flächeneinheit unter einer Standardkonzentration auf der
Grundlage eines Messwertes von der Durchdringungsmengen-bezogenen
Größenmessvorrichtung ist; eine Durchdringungsindexberechnungsvorrichtung,
die einen Durchdringungsindex der Verunreinigungssubstanz an jedem
Ort in dem anodenseitigen Gaskanal auf der Grundlage der durch die
Konzentrationsverteilungsberechnungsvorrichtung berechneten Konzentrationsverteilung der
Verunreinigungssubstanz berechnet; eine Durchdringungsmengenberechnungsvorrichtung,
die die Durchdringungsmenge der Verunreinigungssubstanz an jedem
Ort in dem anodenseitigen Gaskanal basierend auf der durch die Standarddurchdringungsmengenberechnungsvorrichtung
berechneten Standarddurchdringungsmenge und dem durch die Durchdringungsindexberechnungsvorrichtung
berechneten Durchdringungsindex berechnet; und eine Gesamtdurchdringungsmengenberechnungsvorrichtung,
die eine Gesamtdurchdringungsmenge der durch das Elektrolytmembran durchdringenden
Verunreinigungssubstanz auf der Grundlage der durch die Durchdringungsmengenberechnungsvorrichtung
berechneten Durchdringungsmenge an jedem Ort in dem anodenseitigen
Gaskanal berechnet.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung wird die Leichtigkeit
der Durchdringung, wenn die Verunreinigungssubstanz durch das Elektrolytmembran
durchdringt, als Durchdringungsindex berechnet, und auf der Grundlage des
berechneten Durchdringungsindex werden die Durchdringungsmengen
der Verunreinigungssubstanz an den Stellen in dem anodenseitigen
Gaskanal berechnet. Daher wird es möglich, durch Abschätzung
die Menge der in dem anodenseitigen Gaskanal existierenden Verunreinigungssubstanz
hochgenau zu berechnen. Da zudem der Durchdringungsindex auf der
Grundlage der Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz
in dem anodenseitigen Gaskanal berechnet wird, kann der Einfluss, den
die Konzentration der Verunreinigungssubstanz auf die Leichtigkeit
der Durchdringung der Verunreinigungssubstanz ausübt, bei
der Berechnung der Durchdringungsmenge genau reflektiert werden.
In einer Situation, bei der die Konzentrationsverteilung in der
Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen Gaskanal jeden Moment
aufgrund der durch das Elektrolytmembran von der Kathodenseite kommenden
Verunreinigungssubstanz verändert wird, können
daher die Änderungen in der Konzentrationsverteilung von einem
Moment zum anderen genau bestimmt werden.
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Bei
der Bestimmungsvorrichtung wird zudem auch bevorzugt, dass die Durchdringungsmengen-bezogene
Größenmessvorrichtung die Impedanz der Brennstoffzelle
misst.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Durchdringungsmenge
pro Flächeneinheit der durch die Elektrolytmembran von
der Kathodenseite zur Anodenseite durchdringenden Verunreinigungssubstanz
leicht und genau bestimmt werden, da die Impedanz der Brennstoffzelle
gemessen wird.
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Weiterhin
ist bei der Bestimmungsvorrichtung auch bevorzugt, dass die Durchdringungsmengen-bezogene
Größenmessvorrichtung die Temperatur der Brennstoffzelle
misst.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Durchdringungsmenge
pro Flächeneinheit der durch die Elektrolytmembran von
der Kathodenseite zu der Anodenseite durchdringenden Verunreinigungssubstanz
leicht und genau bestimmt werden, da die Temperatur der Brennstoffzelle
gemessen wird.
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Ferner
wird außerdem bevorzugt, dass die Durchdringungsmengen-bezogene
Größenmessvorrichtung den Gasdruck in dem anodenseitigen
Gaskanal und den Gasdruck in dem kathodenseitigen Gaskanal misst.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Durchdringungsmenge
pro Flächeneinheit der durch das Elektrolytmembran von
der Kathodenseite zur Anodenseite durchdringenden Verunreinigungssubstanz
leicht und genau bestimmt werden, da der Gasdruck in dem anodenseitigen
Gaskanal und der Gasdruck in dem kathodenseitigen Gaskanal gemessen
werden.
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Weiterhin
wird bei der Bestimmungsvorrichtung auch bevorzugt, dass die Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung
umfasst: eine Informationserlangungsvorrichtung, die Informationen über
die Reinheit des Brennstoffs erlangt; eine Flussmengen-bezogene Größenmessvorrichtung,
die eine auf eine Flussmenge des in den anodenseitigen Gaskanal
fließenden Brennstoffs bezogene physikalische Größe
misst; und eine Einflussmengenberechnungsvorrichtung, die eine Menge
der zusammen mit dem Brennstoff in den anodenseitigen Gaskanal fließenden
Verunreinigungssubstanz auf der Grundlage der durch die Informationserlangungsvorrichtung
erlangten Informationen über die Reinheit des Brennstoffs
und einem Messwert von der Flussmengen-bezogenen Größenmessvorrichtung
berechnet.
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Gemäß der
vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung kann die Menge der
zusammen mit dem Brennstoff in den anodenseitigen Gaskanal fließenden
Verunreinigungssubstanz auf der Grundlage der erlangten Informationen
und dem Messwert berechnet werden, da Informationen über die
Reinheit des Brennstoffs erlangt werden und eine auf die Flussmenge
des in den anodenseitigen Gaskanals fließenden Brennstoffs
bezogene physikalische Größe gemessen wird. Selbst
wenn der Brennstoff ursprünglich eine Verunreinigungssubstanz
enthält, kann gemäß diesem Aufbau die
Menge der in dem anodenseitigen Gaskanal existierenden Verunreinigungssubstanz
durch Abschätzung hochgenau berechnet werden.
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Ferner
wird bei der Bestimmungsvorrichtung auch bevorzugt, dass ein stromabwärts
gelegener Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals im Wesentlichen
abgeriegelt ist.
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Bei
einer Brennstoffzelle, bei der der stromabwärts gelegene
Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals im Wesentlichen abgeriegelt
ist, kann gemäß der vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung
die Konzentrationsverteilung der in dem anodenseitigen Gaskanal
angesammelten Verunreinigungssubstanz genau bestimmt werden. Bei
einer derartigen Brennstoffzelle ändert sich die Konzentrationsverteilung
von Verunreinigungssubstanzen in dem anodenseitigen Gaskanal jeden
Moment, und ihre Konzentrationsverteilung ändert sich stark
in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle. Falls
bei einer derartigen Brennstoffzelle die Konzentrationsverteilung
der Verunreinigungssubstanzen genau bestimmt werden kann, wird es
möglich, den Zeitpunkt zum Öffnen des stromabwärts
gelegenen Endabschnitts des anodenseitigen Gaskanals zur Emission
des Gases außerhalb des Brennstoffzellensystems genau zu
bestimmen, und außerdem die Emissionsmenge genau zu bestimmen.
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Weiterhin
ist bei der Bestimmungsvorrichtung auch bevorzugt, dass eine sehr
geringe Gasmenge im Vergleich zu der in dem anodenseitigen Gaskanal
verbrauchten Brennstoffmenge von einem stromabwärts gelegenen Endabschnitt
des anodenseitigen Gaskanals außerhalb des Brennstoffzellensystems
emittiert wird.
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Bei
einer Brennstoffzelle, bei der eine sehr geringe Gasmenge im Vergleich
zur Menge des in dem anodenseitigen Gaskanal verbrauchten Brennstoffs
von einem stromabwärts gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen
Gaskanals in den Außenraum eines Brennstoffzellensystems
emittiert wird, wird es gemäß der vorstehend beschriebenen Bestimmungsvorrichtung
möglich, die Konzentrationsverteilung einer in dem anodenseitigen
Gaskanal angesammelten Verunreinigungssubstanz genau zu bestimmen.
Bei einer derartigen Brennstoffzelle kann die Verunreinigungssubstanz,
die sich in dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt der
Anode ansammelt, nach und nach außerhalb des Brennstoffzellensystems
emittiert werden. Falls die Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz
in der Brennstoffzelle genau bestimmt werden kann, kann daher die
Menge der Gasemission nach außerhalb des Brennstoffzellensystems
von dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen
Gaskanals gemäß der Konzentrationsverteilung der
Verunreinigungssubstanz verändert werden. Daher wird es möglich,
sowohl den durch unzureichende Emission verursachten Abfall bei
der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit als auch die durch
exzessive Emission verursachte Verschwendung von Brennstoff zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem
bereitgestellt, mit: einer Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode
auf gegenüberliegenden Seiten einer Elektrolytmembran aufweist,
und die elektrische Leistung durch Versorgung mit einem Brennstoff
auf der Anode und durch Versorgung mit Luft auf der Kathode erzeugt;
einem Ausstoßmechanismus, der ein Gas emittiert, das durch
einen Gaskanal auf einer Anodenseite nach außerhalb des
Brennstoffzellensystems passiert; einer Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung,
die durch Berechnung eine Menge einer in dem anodenseitigen Gaskanal existierenden
Verunreinigungssubstanz bestimmt; einer Verunreinigungssubstanzverteilungsbestimmungsvorrichtung,
die durch Berechnung eine Verteilung einer Existenzrate der Verunreinigungssubstanz
in dem anodenseitigen Gaskanal bestimmt; einer Konzentrationsverteilungsberechnungsvorrichtung,
die die Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz in
dem anodenseitigen Gaskanal auf der Grundlage der durch die Verunreinigungssubstanzmengenbestimmungsvorrichtung
bestimmten Menge der Verunreinigungssubstanz und der durch die Verunreinigungssubstanzverteilungsbestimmungsvorrichtung
bestimmten Verteilung der Existenzrate der Verunreinigungssubstanz
berechnet; und einer Steuerungsvorrichtung, die den Betrieb des
Ausstoßmechanismus auf der Grundlage der durch die Konzentrationsverteilungsberechnungsvorrichtung berechneten
Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz steuert.
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Gemäß dem
vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Konzentrationsverteilung
der Verunreinigungssubstanz in dem anodenseitigen Gaskanal auf der
Grundlage der Ergebnisse der abschätzungsbasierten Berechnung
genau bestimmt werden, da die Menge der in dem anodenseitigen Gaskanal
existierenden Verunreinigungssubstanz und die Verteilung ihrer Existenzrate
durch Abschätzung berechnet werden. Da der Betrieb des Ausstoßmechanismus
auf der Grundlage der bestimmten Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz
gesteuert wird, kann das Brennstoffsystem sodann sowohl die durch
unzureichende Emission verursachte Ansammlung der Verunreinigungssubstanz
bis zu einem einen Abfall in der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
verursachenden Niveau als auch die durch exzessive Emission verursachte
verschwenderische Emission des Brennstoffs vermeiden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem wird außerdem bevorzugt, dass
eine stromabwärts gelegene Seite des anodenseitigen Gaskanals
durch den Ausstoßmechanismus abgeschlossen ist.
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Gemäß dem
vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Brennstoffzelle
betrieben werden, während der Brennstoff innerhalb des
anodenseitigen Gaskanals durch Schließen des Ausstoßmechanismus
gehalten wird, und das in dem anodenseitigen Gaskanal angesammelte
Verunreinigungssubstanzgas kann durch Öffnen des Ausstoßmechanismus
nach außerhalb des Brennstoffzellensystems emittiert werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem ist außerdem bevorzugt, dass
die Steuerungsvorrichtung den Betrieb des Ausstoßmechanismus
so steuert, dass eine sehr geringe Gasmenge im Vergleich zu der
in dem anodenseitigen Gaskanal verbrauchten Brennstoffmenge nach
außerhalb des Brennstoffzellensystems emittiert wird, und
sich die Emissionsmenge gemäß der Konzentrationsverteilung
der Verunreinigungssubstanz ändert.
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Gemäß dem
Brennstoffzellensystem kann die sich in dem stromabwärts
gelegenen Endabschnitt der Anode ansammelnde Verunreinigungssubstanz
nach und nach außerhalb des Brennstoffzellensystems emittiert
werden, da eine sehr geringe Menge des Gases im Vergleich zu der
in dem anodenseitigen Gaskanal verbrauchten Menge des Brennstoffs
aus dem Brennstoffzellensystem heraus emittiert wird. Da die Emissionsmenge
sich gemäß der Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz ändert,
ist es außerdem möglich, den durch unzureichende
Emission verursachten Abfall bei der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
zu vermeiden, und außerdem die durch exzessive Emission
verursachte Verschwendung von Brennstoff zu vermeiden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Merkmale, Vorteile sowie die technische und gewerbliche Bedeutung
der vorliegenden Erfindung sind aus der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung näher ersichtlich.
Es zeigen:
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1 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
Diagramm zur Verdeutlichung einer inneren Struktur einer Einheitszelle
bei dem ersten Ausführungsbeispiel sowie eines Phänomens, das
in der Einheitszelle auftritt;
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung von Konzentrationsverteilungen von Stickstoff
(N2) in einem anodenseitigen Gaskanal bei
dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 ein
Diagramm zur Verdeutlichung von Verteilungen der Gasflussrate in
dem anodenseitigen Gaskanal bei dem ersten Ausführungsbeispiel;
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5 ein
Flussdiagramm zur Verdeutlichung einer Routine zur abschätzungsgestützten
Berechnung der Stickstoffkonzentrationsverteilung, die bei dem ersten
Ausführungsbeispiel ausgeführt wird; und
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6 ein
Flussdiagramm zur Verdeutlichung einer Routine zur abschätzungsgestützten
Berechnung der Stickstoffkonzentrationsverteilung, die bei einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt
wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bei
der nachstehenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung ist
die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsbeispiele näher
beschrieben. Bezug nehmend auf die 1 bis 5 ist
nachstehend ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben.
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1 zeigt
ein Diagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems,
auf das die Erfindung angewandt ist. Das Brennstoffzellensystem
erzeugt elektrische Leistung durch eine Brennstoffzelle 2 und
führt die elektrische Leistung Lasten wie etwa elektrischen
Motoren und dergleichen zu. Normalerweise wird die Brennstoffzelle 2 in
Gestalt eines Brennstoffzellenstapels verwendet, der durch Stapeln
einer Vielzahl von Einheitszellen erreicht wird. Obwohl in der Zeichnung
nicht gezeigt, weisen die Einheitszellen einen Aufbau auf, bei dem
eine Membran-Elektrode-Anordnung durch ein paar Platten zur Ansammlung
von elektrischem Strom sandwichartig umgeben ist. Die Membran-Elektrode-Anordnung
ist durch Integrieren einer Festpolymerelektrolytmembran mit in
ihre beiden gegenüberliegenden Oberflächen integrierten Katalysatoren
und zudem einer in jede der beiden Oberflächen integrierten
Gasdiffusionsschicht ausgebildet. Jede Stromansammlungsplatte wirkt
außerdem als ein Separator, der zwei benachbarte Membran-Elektrode-Anordnungen
separiert. Jede Einheitszelle ist so aufgebaut, dass sie mit Wasserstoff
als Brennstoff auf der Anode und mit Luft auf der Kathode versorgt
wird, und daher elektrische Leistung erzeugt.
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Ein
Wasserstoffzufuhrrohr 6 für die Zufuhr von Wasserstoff
aus einem Wasserstofftank 4 an die Brennstoffzelle 2 ist
mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Ein Zwischenabschnitt
des Wasserstoffzufuhrrohrs 6 ist mit einem Wasserstoffdruckregulierungsventil 8 und
einem Wasserstoffeinlassventil 10 versehen, die in dieser
Reihenfolge von einer stromaufwärts gelegenen Seite angeordnet
sind. Wasserstoff wird durch ein Druckregulierungsventil 8 dekomprimiert
und ist somit auf einen gewünschten Druck eingestellt,
bevor er der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der
der Brennstoffzelle 2 zugeführte Wasserstoff wird auf
der Anode jeder Einheitszelle über einen (nicht gezeigten)
Zufuhrverteiler verteilt, der in der Brennstoffzelle 2 ausgebildet
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
beinhaltet ein Ausstoßrohr 12 zum Herausziehen
von Anodengas aus der Brennstoffzelle 2. Das Ausstoßrohr 12 ist
mit einem stromabwärts gelegenen Endabschnitt eines anodenseitigen
Gaskanals jeder Einheitszelle über einen (nicht gezeigten)
Ausstoßverteiler verbunden, der in der Brennstoffzelle 2 ausgebildet
ist. Das Gas in dem anodenseitigen Gaskanal (Anodengas) wird in
dem Ausstoßverteiler gesammelt und in das Ausstoßrohr 12 ausgestoßen.
Ein fernes Ende des Ausstoßrohrs 12 ist zur Atmosphäre
geöffnet oder mit einem Verdünnungsgerät
verbunden.
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Das
Ausstoßrohr 12 ist mit einem Ausstoßventil 14 in
elektromagnetischer Bauart, das Betriebsartgesteuert werden kann,
als ein Ausstoßmechanismus versehen, der den Zustand der
Kommunikation des Ausstoßrohrs 12 ändert.
Das Ausstoßventil 14 ist vorzugsweise von der
Bauart eines Einspritzventils, was für die Flussmengensteuerbarkeit
ausgezeichnet ist. Die Emissionsmenge des Anodengases, die von dem
anodenseitigen Gaskanal aus dem Brennstoffzellensystem herausemittiert
wird, kann durch die relative Einschaltdauer des Ausstoßventils 14 gesteuert
werden. Bei dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die Betriebsartsteuerung des Ausstoßventils 14 so durchgeführt,
dass eine sehr geringe Flussmenge des Anodengases im Vergleich zu
der in dem anodenseitigen Gaskanal verbrauchten Wasserstoffmenge
aus dem Brennstoffzellensystem herausemittiert wird (kontinuierliche
Kleinmengenemission).
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Ferner
ist ein Luftzufuhrrohr 30 für die Zufuhr von Luft
mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Eine Luftpumpe 32 ist
auf dem Luftzufuhrrohr 30 angeordnet. Aufgrund der Betätigung
der Luftpumpe 32 wird Luft in das Luftzufuhrrohr 30 eingelassen
und der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Die der Brennstoffzelle 2 zugeführte
Luft wird auf die Kathode jeder Einheitszelle über einen
in der Brennstoffzelle 2 ausgebildeten Zufuhrverteiler
verteilt. Die durch die Kathode jeder Einheitszelle passierende
Luft wird in einem in der Brennstoffzelle 2 ausgebildeten
Ausstoßverteiler gesammelt und in das Ausstoßrohr 34 ausgestoßen.
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Der
Betrieb des Ausstoßventils 14 wird durch eine
Steuervorrichtung 20 gesteuert. Mit der Steuervorrichtung 20 sind
verschiedene Sensoren verbunden, einschließlich eines Drucksensors 22,
eines Temperatursensors 24, eines Amperemeters 26,
eines Impedanzmeters 28 und eines Drucksensors 36. Der
Drucksensor 22 ist an dem Eingang des Wasserstoffzufuhrrohrs 6 in
die Brennstoffzelle 2 angebracht, so dass der Gasdruck
in dem anodenseitigen Gaskanal gemessen wird. Der Drucksensor 36 ist
an dem Eingang des Luftzufuhrrohrs 30 in die Brennstoffzelle 2 angebracht,
so dass der Gasdruck in dem kathodenseitigen Gaskanal gemessen wird.
Der Temperatursensor 24 ist an der Brennstoffzelle 2 angebracht,
so dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 gemessen wird.
Das Amperemeter 26 ist an der Brennstoffzelle 2 angebracht,
so dass der Wert des Stroms der Brennstoffzelle 2 gemessen
wird. Das Impedanzmeter 28 ist an der Brennstoffzelle 2 angebracht,
so dass die Impedanz der Brennstoffzelle 2 gemessen wird.
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2 zeigt
ein Diagramm zur schematischen Darstellung des internen Aufbaus
einer die Brennstoffzelle 2 bildenden Einheitszelle sowie
eines in der Einheitszelle auftretenden Phänomens. In 2 sind
Abschnitte gezeigt, die im besonderen Maße Merkmale der
Erfindung betreffen, und Abschnitte wie etwa die Stromkollektoren,
Verteiler usw., die keine Merkmale der Erfindung sind, sind in der
Darstellung weggelassen. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung unter
Bezugnahme auf 2 sowie auf 1.
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Gemäß 2 sind
in der Einheitszelle Gaskanäle 42, 44 entlang
der beiden Seitenoberflächen der Membran-Elektrode-Anordnung 40 ausgebildet. Der
Gaskanal 42 auf der Anodenseite der Membran-Elektrode-Anordnung 40 wird
mit Wasserstoff versorgt. Der Gaskanal 44 auf der Kathodenseite
der Membran-Elektrode-Anordnung 40 wird mit Luft versorgt.
Im Übrigen gibt es keine besondere Beschränkung
auf die Form oder den Aufbau der Gaskanäle 42, 44.
Die Gaskanäle 42, 44 können
beispielsweise Gräben sein, die auf Oberflächen
der Stromkollektoren (Separatoren) ausgebildet sind. Alternativ
können die Gaskanäle 42, 44 durch
Poren ausgebildet sein, die sich kontinuierlich in poröse
Körperschichten erstrecken, die aus einem elektrisch leitenden Material
ausgebildet sind, und die zwischen der Membran-Elektrode-Anordnung 40 und
den Stromkollektoren bereitgestellt sind.
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Die
an den kathodenseitigen Gaskanal 44 zugeführte
Luft enthält neben dem für die Leistungserzeugung
verwendeten Sauerstoff (O2) auch Stickstoff
(N2). Stickstoff ist ein Inertgas und wird
nicht für die Leistungserzeugung verwendet, aber unmittelbar von
dem kathodenseitigen Gaskanal 44 aus dem Brennstoffzellensystem
heraus emittiert. Ein Teil des Stickstoffs dringt jedoch durch die
Membran-Elektrode-Anordnung 40 hindurch und dringt in den
anodenseitigen Gaskanal 42 ein, wie es in 2 durch
Pfeile schematisch gezeigt ist. Als treibende Kraft, die den Stickstoff
in den anodenseitigen Gaskanal 42 bewegt, dient die Differenz
im Stickstoffpartialdruck zwischen dem kathodenseitigen Gaskanal 44 und
dem anodenseitigen Gaskanal 42. Der Stickstoff (N2), der durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40 passierte,
wird in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch den Wasserstofffluss
(H2) in dem anodenseitigen Gaskanal 4 stromabwärts
getragen, wie in 2 durch einen Pfeil schematisch
gezeigt ist.
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Stickstoff
wird natürlich auch auf der Anodenseite nicht zur Leistungserzeugung
verwendet. Bei dem Fall, wenn das Ausstoßventil 14 geschlossen
ist, und das stromabwärts gelegene Ende des anodenseitigen
Gaskanals 42 abgeriegelt ist, sammelt sich daher Stickstoff
allmählich in dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt
des anodenseitigen Gaskanals 42 an, wie in 2 schematisch
gezeigt ist. Falls Stickstoff die Oberfläche der Membran-Elektrode-Anordnung 40 bedeckt,
wird die elektromotorische Reaktion auf dem Katalysator gehemmt,
was einen Spannungsabfall oder eine Degradation der Membran-Elektrode-Anordnung 40 aufgrund
eines abnormalen elektrischen Potentials hervorruft. Im Übrigen
enthält Luft andere Verunreinigungssubstanzen als Stickstoff,
die nicht zur Leistungserzeugung verwendet werden, wie etwa Wasserdampf,
Kohlenstoffdioxid, usw. Die Konzentration dieser Substanzen in Luft
ist jedoch im Vergleich zu der von Stickstoff sehr gering, so dass
vorliegend die Aufmerksamkeit auf Stickstoff als Verunreinigungssubstanz fokussiert
ist. Dies bedeutet jedoch nicht, dass andere Substanzen als Stickstoff
von den für die Erfindung betrachteten Substanzen als Verunreinigungssubstanzen
ausgeschlossen sind.
-
Diesbezüglich
kann bei dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
der Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 zusammen
mit Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem heraus durch die
Betriebsartsteuerung des Ausstoßventils 14 emittiert
werden. In Abhängigkeit von der Einstellung der relativen
Einschaltdauer gibt es jedoch die Möglichkeit, dass die
Emission exzessiv werden kann, so dass Wasserstoff in verschwenderischer
Weise emittiert wird, oder die Emission unzureichend wird, und sich
daher Stickstoff in einem derartigen Ausmaß ansammelt,
das einen Abfall bei der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
hervorruft. Damit das Emissionsausmaß von dem anodenseitigen Gaskanal 42 aus
dem Brennstoffzellensystem heraus ein angemessenes Ausmaß annimmt,
wird daher bei dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
das Ausstoßventil 14 betriebsartgesteuert, während
die Konzentrationsverteilung von Stickstoff in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 einbezogen wird.
-
3 zeigt
ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels der Stickstoffkonzentrationsverteilung in
dem anodenseitigen Gaskanal 42 bei dem Fall, wenn die Brennstoffzelle 2 mit
geschlossenem Ausstoßventil 14 betrieben wird.
Da das Ausstoßventil 14 geschlossen ist, sammelt
sich Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 an. In 3 zeigt
eine Linie A die Konzentrationsverteilung von Stickstoff bei dem Fall,
wenn die Menge angesammelten Stickstoffs gering ist, und eine Linie
B zeigt die Konzentrationsverteilung von Stickstoff bei dem Fall,
wenn dessen Ansammlungsmenge groß ist. Falls die tatsächliche Stickstoffkonzentrationsverteilung
eine Verteilung gemäß der Linie A ist, wurde Wasserstoff
ausreichend in den stromabwärts gelegenen Endabschnitt des
anodenseitigen Gaskanals 42 verteilt, und die relative
Einschaltdauer zum Öffnen des Ausstoßventils 14 kann
gering sein. Falls andererseits die tatsächliche Stickstoffkonzentrationsverteilung
eine Verteilung gemäß der Linie B ist, gibt es
einen Bedarf, die relative Einschaltdauer des Ausstoßventils 14 hoch einzustellen,
so dass der in dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt
angesammelte Stickstoff rasch emittiert wird.
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Ein
Grund, warum das Brennstoffzellensystem gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel die Betriebsartsteuerung des
Ausstoßventils 14 auf der Grundlage der Konzentrationsverteilung
von Stickstoff anstelle von nur der Menge von angesammeltem Stickstoff
durchführt, ist, dass die Ansammlung von Stickstoff sich
nicht immer in dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt
des anodenseitigen Gaskanals 42 konzentriert. Es kann beispielsweise
einen Fall geben, bei dem Stickstoff im Wesentlichen homogen in
dem anodenseitigen Gaskanal 42 verteilt ist, wie es durch
eine Linie C in 3 gezeigt ist. im Falle der
durch die Linie C gezeigten Konzentrationsverteilung hat sich Wasserstoff
ausreichend bis zu dem stromabwärts gelegenen Endabschnitt
des anodenseitigen Gaskanals 42 trotz der großen
Menge von in dem anodenseitigen Gaskanal 42 angesammelten
Stickstoff ausgebreitet. Falls in dieser Situation die relative
Einschaltdauer des Ausstoßventils 14 hoch eingestellt
ist, wird Wasserstoff in verschwenderischer Weise emittiert.
-
Die
Konzentrationsverteilung von Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 wird
durch die Menge von in dem anodenseitigen Gaskanal 42 angesammelten
Stickstoff und die Verteilung der Existenzrate von Stickstoff in
dem anodenseitigen Gaskanal 42 bestimmt. Das Produkt aus
der Multiplikation der Menge von angesammeltem Stickstoff mit der Verteilung
seiner Existenzrate entspricht der Konzentrationsverteilung von
Stickstoff. In 3 sind die durch die Linie A
gezeigte Konzentrationsverteilung und die durch die Linie B gezeigte
Konzentrationsverteilung bezüglich der Verteilung der Existenzrate
von Stickstoff gleich, aber bezüglich der Menge an gesammelten
Stickstoff verschieden. Andererseits sind die durch die Linie A
gezeigte Konzentrationsverteilung und die durch die Linie C gezeigte
Konzentrationsverteilung bezüglich der Menge von angesammeltem
Stickstoff gleich, aber bezüglich der Verteilung der Existenzrate
von Stickstoff verschieden. In der Realität kann weder
die Menge von angesammeltem Stickstoff noch die Verteilung der Existenzrate von
Stickstoff unmittelbar gemessen werden. Falls jedoch akkurat abgeschätzt
wird, ist es möglich, die Konzentrationsverteilung von
Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 genau zu bestimmen. Nachstehend
sind ein Verfahren zur Berechnung durch Abschätzen der
Verteilung der Existenzrate von Stickstoff in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 sowie ein Verfahren zur Berechnung durch Abschätzung
der Menge von angesammeltem Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 beschrieben.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die Verteilung der Existenzrate von Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch
Abschätzung nach dem nachstehend beschriebenen Verfahren
berechnet. Zunächst wird die Verteilung der Existenzrate
von Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch
den Stickstofffluss in dem anodenseitigen Gaskanal 42 bestimmt.
Im Einzelnen wird in einem Bereich, wo Stickstoff in Stromabwärtsrichtung
fließt, die Existenzrate von Stickstoff notwendigerweise
stromabwärts höher als stromaufwärts.
Dann wird der Stickstofffluss in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch
die Flussratenverteilung von Wasserstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 stark
beeinflusst. In einem Bereich mit einer großen Wasserstoffflussrate
wird der durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40 kommende
Wasserstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 stromabwärts
getragen. In einem Bereich mit kleiner Wasserstoffflussrate diffundiert
andererseits der Stickstoff ebenso stromaufwärts, so dass
der Stickstofffluss stromabwärts eingeschränkt
wird.
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4 zeigt
ein Diagramm zur Darstellung eines Beispiels der Flussratenverteilung
von Wasserstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42. In 4 zeigen
eine Linie α und eine Linie β die Flussratenverteilungen
von Wasserstoff für den Fall, dass der stromabwärts
gelegene Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals 42 im
Wesentlichen abgeriegelt ist. Wenn das Ausstoßventil 14 vollständig
geschlossen ist, oder wenn das Ausstoßventil 14 betriebsgesteuert
ist, so dass eine sehr geringe Flussmenge des Anodengases im Vergleich
zu der in dem anodenseitigen Gaskanal 42 verbrauchten Wasserstoffmenge
aus dem Brennstoffzellensystem heraus emittiert wird, wird die Flussratenverteilung,
wie es durch die Linie α oder durch die Linie β gezeigt
ist. Die Line γ zeigt andererseits die Flussratenverteilung
von Wasserstoff, wenn der stromabwärts gelegene Endabschnitt
des anodenseitigen Gaskanals 42 geöffnet ist.
Im Falle eines Systems in Zirkulationsbauart, bei dem der durch
den anodenseitigen Gaskanal 42 passierende Wasserstoff
in den anodenseitigen Gaskanal 42 zurückgeführt
wird, ist die Flussratenverteilung von Wasserstoff beispielsweise
wie durch die Linie γ gezeigt.
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Der
Stickstofffluss in dem anodenseitigen Gaskanal 42 wird
ebenfalls durch dem Gasdruck in dem anodenseitigen Gaskanal 42 beeinflusst.
Im Einzelnen hängt die Diffusionsrate von Stickstoff von dem
Gasdruck in dem anodenseitigen Gaskanal 42 ab. Der durch
die Membran-Elektrode-Anordnung 40 passierende Stickstoff
diffundiert in den anodenseitigen Gaskanal 42. Das relative
Verhältnis zwischen der Diffusionsrate von Stickstoff und
der Flussrate von Wasserstoff bestimmt, wie Stickstoff in den anodenseitigen
Gaskanal 42 fließt.
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Aus
der vorstehenden Diskussion ist ersichtlich, dass es ausreicht,
die Flussratenverteilung von Wasserstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 und den
Gasdruck in dem anodenseitigen Gaskanal 42 zu messen, um
die Verteilung der Existenzrate von Stickstoff in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 zu bestimmen. Dabei versteht es sich, dass
bei dem Brennstoffzellensystem des ersten Ausführungsbeispiels
die Flussratenverteilung von Wasserstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 nicht
direkt gemessen wird, sondern der Wert des elektrischen Ausgangsstroms
der Brennstoffzelle 2 als auf die Flussratenverteilung
von Wasserstoff bezogene physikalische Größe gemessen
wird. Die Flussratenverteilung von Wasserstoff in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 ist eindeutig durch die Flussrate des in dem
anodenseitigen Gaskanal 42 fließenden Wasserstoffs
bestimmt. Dann ist die Flussrate des in dem anodenseitigen Gaskanal 42 fließenden
Wasserstoffs eindeutig durch den elektrischen Ausgangsstrom der
Brennstoffzelle 2 bestimmt. Falls der elektrische Stromwert und
der Anodengasdruck gemessen werden, können die Existenzraten
von Stickstoff an verschiedenen Stellen in dem anodenseitigen Gaskanal 42 auf
der Grundlage dieser Messwerte berechnet werden.
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Nachstehend
ist das Verfahren zum Berechnen durch Abschätzung der Ansammlungsmenge von
Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 beschrieben.
Zunächst passierte der größte Teil des Stickstoffs
in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40,
so dass die Ansammlungsmenge von Stickstoff als integrierter Wert
der Stickstoffdurchdringungsmenge ausgedrückt werden kann.
Falls die Stickstoffdurchdringungsmenge pro Zeiteinheit berechnet
werden kann, ist es daher möglich, die Ansammlungsmenge
von Stickstoff durch Berechnung herauszufinden.
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Die
Stickstoffdurchdringungsmenge (deren Durchdringungsmenge pro Zeiteinheit)
ist durch den Wassergehalt der Membran-Elektrode-Anordnung 40,
der Temperatur der Brennstoffzelle 2 sowie der Partialdruckdifferenz
von Stickstoff zwischen dem kathodenseitigen Gaskanal 44 und
dem anodenseitigen Gaskanal 42 bestimmt. Der Stickstoffpartialdruck in
dem anodenseitigen Gaskanal 42 ist durch den Gasdruck und
die Stickstoffkonzentration in dem anodenseitigen Gaskanal 42 bestimmt.
Die Stickstoffkonzentration in dem anodenseitigen Gaskanal 42 ist gemäß vorstehender
Beschreibung verteilt. Daher ist der Stickstoffpartialdruck in dem
anodenseitigen Gaskanal 42 nicht homogen, so dass die Stickstoffdurchdringungsmenge
in Abhängigkeit von dem Ort in dem anodenseitigen Gaskanal 42 variiert.
Daher kann bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Stickstoffdurchdringungsmenge
(Gesamtdurchdringungsmenge) pro Zeiteinheit in dem gesamten anodenseitigen
Gaskanal 42 unter Verwendung der folgenden Gleichung (1)
berechnet werden: Gesamtdurchdringungsmenge
=
ΣCi × Standarddurchdringungsmenge (1)
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Bei
Gleichung (1) bedeutet die Standarddurchdringungsmenge die Durchdringungsmenge pro
Flächeneinheit unter einer vorbestimmten Standardstickstoffkonzentration.
Falls die Stickstoffkonzentration konstant ist, ist die Stickstoffdurchdringungsmenge
durch den Wassergehalt der Membran-Elektrode-Anordnung 40,
die Temperatur der Brennstoffzelle 2, den Gasdruck in dem
anodenseitigen Gaskanal 42 und den Gasdruck in dem kathodenseitigen
Gaskanal 44 bestimmt. Daher kann die Standarddurchdringungsmenge
als eine Funktion einer auf den Wassergehalt, die Brennstoffzellentemperatur
und die vorstehend angeführten Gasdrücke bezogene
physikalische Größe ausgedrückt werden.
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Ferner
bedeutet bei der Gleichung (1) Ci den Durchdringungsindex von Stickstoff.
Bei dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel ist das
Innere des anodenseitigen Gaskanals 42 in ein Gitternetz von
Flächeneinheiten unterteilt, und der Durchdringungsindex
Ci ist getrennt für jede Gittermasche eingestellt. Der
Durchdringungsindex Ci zeigt die Leichtigkeit oder einen Grad der
Leichtigkeit der Stickstoffdurchdringung in einer Gittermasche,
und der durch Multiplizieren der Standarddurchdringungsmenge mit dem
Durchdringungsindex Ci erhaltene Wert ist die Stickstoffdurchdringungsmenge
in der Gittermasche. Der durch Integrieren der Durchdringungsmenge
in jeder Gittermasche (Ci × Standarddurchdringungsmenge)
erhaltene Wert wird die Gesamtdurchdringungsmenge von Stickstoff
in dem gesamten anodenseitigen Gaskanal 42. Da die Leichtigkeit
der Stickstoffdurchdringung in einer Gittermasche durch die Stickstoffkonzentration
in der Gittermasche bestimmt ist, kann der Durchdringungsindex Ci
als eine Funktion der Stickstoffkonzentration ausgedrückt werden.
Falls die Konzentrationsverteilung von Stickstoff in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 bestimmt ist, können die Durchdringungsindizes
Ci an verschiedenen Stellen in dem anodenseitigen Gaskanal 42 auf
der Grundlage der Stickstoffkonzentrationsverteilung bestimmt werden.
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Aus
der vorstehenden Diskussion ist ersichtlich, dass es ausreicht,
eine auf den Wassergehalt der Membran-Elektrode-Anordnung 40,
der Brennstoffzellentemperatur sowie die Gasdrücke in den Gaskanälen 42, 44 bezogene
physikalische Größe zu messen, um die Ansammlungsmenge
von Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 zu bestimmen.
Die auf dem Wassergehalt der Membran-Elektrode-Anordnung 40 bezogene
physikalische Größe kann die Impedanz der Brennstoffzelle 2 sein.
Falls die Impedanz, die Brennstoffzellentemperatur und die Gasdrücke
gemessen werden, kann die Standarddurchdringungsmenge auf der Grundlage
dieser Messwerte berechnet werden. Bezüglich der Konzentrationsverteilung
von Stickstoff zur Berechnung des Durchdringungsindex Ci an jeder
Stelle in dem anodenseitigen Gaskanal 42 reicht es aus,
den vorher berechneten Wert zu verwenden. Unter der Annahme, dass
die Konzentrationsverteilung von Stickstoff und die Verteilung der
Existenzrate von Stickstoff ähnlich sind, kann alternativ
der Durchdringungsindex Ci aus dem Anodengasdruck und dem elektrischen
Stromwert berechnet werden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
wird die Berechnung der Konzentrationsverteilung von Stickstoff
in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch die Steuervorrichtung 20 durchgeführt.
Die Steuervorrichtung 20 führt die Betriebssteuerung
des Ausstoßventils 14 auf der Grundlage der berechneten
Konzentrationsverteilung von Stickstoff durch. Nachstehend ist ein
konkreter Ablauf für die berechnete Bestimmung der Stickstoffkonzentrationsverteilung
unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm aus 5 beschrieben, wie
er durch die Steuervorrichtung 20 ausgeführt wird.
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Bei
dem in 5 gezeigten Ablauf werden bei Schritt S2 zunächst
die Temperatur der Brennstoffzelle 2 (BZ-Temperatur), die
Gasdrücke in den Gaskanälen 42, 44 und
die Impedanz gemessen. Bei Schritt S4 wird die Standarddurchdringungsmenge von
Stickstoff unter Verwendung eines im Voraus erzeugten Kennfeldes
der Standarddurchdringungsmenge berechnet. Bei dem Kennfeld der
Standarddurchdringungsmenge sind die Zusammenhänge zwischen
der Standarddurchdringungsmenge, der BZ-Temperatur, der Gasdrücke
und der Impedanz festgesetzt.
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Nachfolgend
werden bei Schritt S6 die Durchdringungsindizes an verschiedenen
Stellen in dem anodenseitigen Gaskanal 42 unter Verwendung eines
im Voraus erzeugten Kennfeldes für den Durchdringungsindex
berechnet. Bei dem Kennfeld für den Durchdringungsindex
ist ein Zusammenhang zwischen dem Durchdringungsindex und der Stickstoffkonzentration
festgesetzt. Die Durchdringungsindizes an verschiedenen Stellen
können durch Anwenden des bei dem Ablauf im Voraus berechneten Wertes
der Stickstoffkonzentrationsverteilung auf das Kennfeld für
den Durchdringungsindex hergeleitet werden.
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Danach
werden bei Schritt S8 die Stickstoffdurchdringungsmengen an den
verschieden Stellen in dem anodenseitigen Gaskanal 42 aus
dem bei Schritt S6 berechneten Durchdringungsindex und der bei Schritt
S4 berechneten Standarddurchdringungsmenge berechnet. Dann wird
bei Schritt S10 die Gesamtdurchdringungsmenge von Stickstoff in
dem gesamten anodenseitigen Gaskanal 42 durch Integrieren
der Durchdringungsmengen an den verschiedenen Stellen berechnet.
Bei Schritt S12 wird die Ansammlungsmenge von Stickstoff mit der
bei Schritt S10 berechneten Gesamtdurchdringungsmenge aktualisiert.
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Danach
werden bei Schritt S14 der Gasdruck in dem anodenseitigen Gaskanal 42 und
der Wert des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle 2 gemessen.
Bei Schritt S16 wird die Verteilung der Existenzrate von Stickstoff
unter Verwendung eines im Voraus erzeugten Kennfeldes der Stickstoffverteilung berechnet.
Bei dem Kennfeld für die Stickstoffverteilung sind die
Zusammenhänge zwischen den Existenzraten von Stickstoff
an den verschiedenen Stellen des anodenseitigen Gaskanals 42,
der Anodengasdruck und der elektrische Stromwert festgesetzt.
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Nachfolgend
wird bei Schritt S18 die Konzentrationsverteilung von Stickstoff
in dem anodenseitigen Gaskanal 42 aus der bei Schritt S12
aktualisierten Ansammlungsmenge von Stickstoff und der bei Schritt
S16 berechneten Verteilung der Existenzrate von Stickstoff berechnet.
Die Steuervorrichtung 20 bestimmt die relative Einschaltdauer
des Ausstoßventils 14 auf der Grundlage der bei
Schritt S18 berechneten Konzentrationsverteilung von Stickstoff.
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Gemäß der
Abschätzungsberechnung der Stickstoffkonzentrationsverteilung
durch den vorstehend beschriebenen Ablauf wird die Leichtigkeit
der Stickstoffdurchdringung durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40 als
Durchdringungsindex berechnet, und die Stickstoffdurchdringungsmenge
an jeder Stelle in dem anodenseitigen Gaskanal 42 wird
auf der Grundlage des berechneten Durchdringungsindex berechnet.
Daher kann die Menge des in dem anodenseitigen Gaskanal 42 existierenden
Stickstoffs durch Abschätzung mit hoher Genauigkeit berechnet
werden. Da der Durchdringungsindex auf der Grundlage der Konzentrationsverteilung
von Stickstoff (dem vorherigen Wert) in dem anodenseitigen Gaskanal 42 berechnet
wird, kann ferner der Einfluss der Stickstoffkonzentration auf die
Leichtigkeit der Stickstoffdurchdringung bei der Berechnung der Durchdringungsmenge
akkurat wiedergegeben werden. Da der Gasdruck in dem anodenseitigen
Gaskanal 42 und der Wert des elektrischen Stroms der Brennstoffzelle 2 gemessen
werden, kann im Übrigen die Existenzrate von Stickstoff
an jedem Ort in dem anodenseitigen Gaskanal 42 auf der
Grundlage dieser Messwerte genau berechnet werden. Da die Stickstoffdurchdringungsmenge
und die Verteilung der Existenzrate von Stickstoff, die durch Abschätzung
genau berechnet werden, als Grundlagen zur Berechnung der Konzentrationsverteilung
von Stickstoff verwendet werden, können Änderungen
bei der Konzentrationsverteilung in einer Situation genau bestimmt
werden, bei der sich die Konzentrationsverteilung von Stickstoff
in dem anodenseitigen Gaskanal 42 aufgrund des durch die
Membran-Elektrode-Anordnung 40 kommenden Stickstoffs von
einem Moment zum anderen ändert.
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Das
Brennstoffzellensystem nach dem ersten Ausführungsbeispiel
ist ein System, das dazu befähigt ist, den sich im stromabwärts
gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals 42 durch eine
Betriebssteuerung des Ausstoßventils 14 nach und
nach aus dem Brennstoffzellensystem nach außen emittieren
kann. Falls bei dem Brennstoffzellensystem die Konzentrationsverteilung
von Stickstoff genau bestimmt wird, und die relative Einschaltdauer des
Ausstoßventils 14 auf der Grundlage der abgeschätzten
Verteilung bestimmt wird, kann die von dem stromabwärts
gelegenen Endabschnitt des anodenseitigen Gaskanals 42 nach
außerhalb des Brennstoffzellensystems emittierte Gasmenge
gemäß der Konzentrationsverteilung von Stickstoff
geändert werden, und es wird daher möglich, sowohl den
durch unzureichende Emission verursachten Abfall in der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
als auch die durch exzessive Emission verursachte Wasserstoffverschwendung
zu vermeiden.
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Nachstehend
ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung unter
Bezugnahme auf 6 beschrieben.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
wird in einem in 1 gezeigten Aufbau verwirklicht,
indem die Steuervorrichtung 20 einen in dem Flussdiagramm
von 6 gezeigten Ablauf anstelle des in dem Flussdiagramm von 5 gezeigten
Ablaufs ausführt. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
ist der in 6 gezeigte Ablauf ein Ablauf
zur Abschätzungsberechnung der Stickstoffkonzentrationsverteilung,
der durch die Steuervorrichtung 20 ausgeführt
wird. Bei dem in 6 gezeigten Ablauf sind die
Vorgänge, welche inhaltlich dieselben wie die bei dem in 5 gezeigten Ablauf
sind, mit denselben Schrittnummern versehen. Bei der nachstehenden
Beschreibung sind die für das zweite Ausführungsbeispiel
kennzeichnenden Vorgänge vorrangig beschrieben, und die
Beschreibung der mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemeinsamen
Vorgänge ist weggelassen.
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Die
Abschätzungsberechnung der Stickstoffkonzentrationsverteilung
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
umfasst ein Merkmal, bei dem der in dem Brennstoff in dem Wasserstofftank 4 enthaltene Stickstoff
zusätzlich zu dem durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40 passierenden
Stickstoff in Betracht gezogen wird. Der Stickstoff in dem Wasserstofftank 4 ist
eine Kontamination, die zum Zeitpunkt der Erzeugung von Wasserstoff
als Brennstoff auftritt. Neben Stickstoff enthält der Brennstoff
in dem Wasserstofftank 4 manchmal eine Kontamination von Kohlenstoffdioxid.
Außerdem ist in einigen Fällen aus Sicherheitsgründen
ein Duftstoff beigemischt. Obwohl Kohlenstoffdioxid und der Duftstoff
Verunreinigungssubstanzen sind, die nicht zur Leistungserzeugung
verwendet werden, konzentriert sich vorliegend die Aufmerksamkeit
nur auf Stickstoff als Verunreinigungssubstanz. Dies bedeutet jedoch
nicht den Ausschluss von anderen Substanzen als Stickstoff aus den
Verunreinigungssubstanzen, die erfindungsgemäß behandelt
werden können.
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Bei
dem in 6 gezeigten Ablauf ist der Vorgang der Einbeziehung
des in der Brennstoffzelle enthaltenen Stickstoffs bei der Abschätzungsberechnung
der Stickstoffkonzentrationsverteilung der Vorgang der Schritte
S20 und S22. Bei Schritt S20 werden die Flussmenge des der Brennstoffzelle 2 zugeführten
Brennstoffes und die Reinheit des Brennstoffes gemessen. Obwohl
die Flussmenge des Brennstoffes unmittelbar durch einen Flussmesser
gemessen werden kann, kann anstatt dessen der Wert des Ausgangsstroms
der Brennstoffzelle 2 gemessen werden. Die Flussmenge des
Brennstoffes, das heißt die in dem anodenseitigen Gaskanal 42 verbrauchte Wasserstoffmenge
wird aus dem elektrischen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 eindeutig
bestimmt. Die Reinheit des Brennstoffes kann durch einen (nicht
gezeigten) Wasserstoffkonzentrationssensor gemessen werden.
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Bei
Schritt S22 wird die zusammen mit Wasserstoff in den anodenseitigen
Gaskanal 42 fließende Stickstoffmenge aus der
Flussmenge des Brennstoffes und seiner Reinheit bei Schritt S20
gemessen. Dann wird bei Schritt S12 die Ansammlungsmenge von Stickstoff
unter Verwendung der bei Schritt S10 berechneten Gesamtdurchdringungsmenge
von Stickstoff und der bei Schritt S22 berechneten Einflussmenge
von Stickstoff aktualisiert. Durch Berechnen der Ansammlungsmenge
von Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 unter
Einbeziehung des in dem Brennstoff ursprünglich enthaltenen
Stickstoffs wird es möglich, die Konzentrationsverteilung von
Stickstoff in dem anodenseitigen Gaskanal 42 noch genauer
zu bestimmen.
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ANDERE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE UND
DERGLEICHEN:
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Während
vorstehend die Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
sind, ist die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt,
sondern kann mit verschiedenen Abwandlungen ausgeführt
werden, ohne vom Erfindungsbereich abzuweichen. Die Erfindung kann
beispielsweise mit den nachstehend aufgeführten Abwandlungen
ausgeführt werden.
-
Das
erste Ausführungsbeispiel ist vorstehend in Verbindung
mit Stickstoff als Beispiel für die Verunreinigungen beschrieben,
die durch die Membran-Elektrode-Anordnung 40 passieren.
Das Abschätzungsberechnungsverfahren für die Konzentrationsverteilung
einer Verunreinigungssubstanz, das in Verbindung mit dem ersten
Ausführungsbeispiel beschrieben ist, kann jedoch auch bei
einem Fall verwendet werden, bei dem die Konzentrationsverteilung
einer anderen Verunreinigungssubstanz als Stickstoff wie etwa Wasserdampf,
Kohlenstoffdioxid usw. durch Abschätzung berechnet wird.
Das zweite Ausführungsbeispiel ist vorstehend in Verbindung
mit Stickstoff als Beispiel für die in dem Brennstoff ursprünglich
enthaltene Verunreinigungssubstanz beschrieben. Das Abschätzungsberechnungsverfahren für
die Konzentrationsverteilung einer Verunreinigungssubstanz, das
in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben
ist, kann jedoch auch bei dem Fall verwendet werden, wenn die Konzentrationsverteilung
einer anderen Verunreinigungssubstanz als Stickstoff wie etwa beispielsweise Kohlenstoffdioxid,
ein Duftstoff usw. durch Abschätzung berechnet wird.
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Obwohl
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Reinheit des Brennstoffes
gemessen wird, können Informationen über die Reinheit
des Brennstoffes von außerhalb des Systems über
Kommunikationsverbindungen erlangt werden. Wenn beispielsweise das
Auffüllen des Wasserstofftanks 4 mit Wasserstoff
an einer Wasserstoffstation durchgeführt wird, ist es ausreichend,
dass Informationen über die Reinheit des Brennstoffes von
der Station an die Steuervorrichtung 20 gesendet werden,
wenn der Wasserstofftank 4 mit der Station verbunden wird. Wenn
zum Zeitpunkt des Auffüllens des Brennstoffes Brennstoff
in dem Wasserstofftank 4 verbleibt, ist es zudem ausreichend,
dass die Reinheit nach Mischung des Restbrennstoffes und des aufgefüllten Brennstoffes
aus der Reinheit des Restbrennstoffes und der Reinheit des aufgefüllten
Brennstoffes sowie der Restmenge und der Auffüllmenge berechnet wird.
-
Obwohl
bei jedem der Brennstoffzellensysteme gemäß den
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen das Gas
in dem anodenseitigen Gaskanal 42 durch Betriebssteuerung
des Ausstoßventils 14 kontinuierlich in geringer
Menge aus dem System heraus emittiert wird, ist die Erfindung ebenso
auf ein System in der Bauart mit sogenannter Anodensackgasse anwendbar,
das mit einem vollständig geschlossenen Ausstoßventil 14 betrieben
wird. Falls bei diesem Brennstoffzellensystem die Konzentrationsverteilung
von Stickstoff genau bestimmt ist, und der Öffnungszeitpunkt
und die Öffnungszeitdauer des Ausstoßventils 14 auf
der Grundlage der abgeschätzten Stickstoffkonzentrationsverteilung
bestimmt werden, wird es möglich, sowohl den durch unzureichende
Emission verursachten Abfall in der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
als auch die durch exzessive Emission verursachte Verschwendung
von Wasserstoff zu vermeiden, wie bei den vorstehend beschriebenen
Systemen mit kontinuierlicher Kleinmengenemission.
-
Zusammenfassung
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Die
Standarddurchdringungsmenge einer Verunreinigungssubstanz, d. h.
die Durchdringungsmenge pro Flächeneinheit der Verunreinigungssubstanz
unter einer Standardkonzentration wird aus den Gasdrücken
in den Gaskanälen, der Impedanz und der Brennstoffzellentemperatur
berechnet. Der Durchdringungsindex der Verunreinigungssubstanz an
allen Orten in dem anodenseitigen Gaskanal wird auf der Grundlage
des vorher berechneten Wertes der Konzentrationsverteilung der Verunreinigungssubstanz
berechnet. Dann werden auf der Grundlage der Standarddurchdringungsmenge
und des Durchdringungsindex die Durchdringungsmengen der Verunreinigungssubstanz
an den Orten in dem anodenseitigen Gaskanal berechnet. Auf der Grundlage
der Gesamtsumme der Durchdringungsmengen wird die in dem anodenseitigen
Gaskanal angesammelte Menge der Verunreinigungssubstanz berechnet.
Ferner wird die Verteilung der Existenzrate der Verunreinigungssubstanz
in dem anodenseitigen Gaskanal auf der Grundlage des Gasdrucks in
dem anodenseitigen Gaskanal und dem Wert des elektrischen Stroms
berechnet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-353569
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- - JP 2005-327597 A [0002]
- - JP 2003-317752 A [0002]
- - JP 2005-353303 A [0002]
- - JP 9-312167 A [0002]