DE112008000843T5

DE112008000843T5 - Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystemsteuerverfahren

Info

Publication number: DE112008000843T5
Application number: DE112008000843T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Toyota-shi Kume
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2008146122A1; CN101682026A; US20100167145A1; JP2008293824A

Abstract

Brennstoffzellensystem aufweisend:
eine Brennstoffzelle, die mit einer Anode und einer Kathode ausgestattet ist und betriebsbereit, um unter Verwendung von einem der Anode zugeführten Brennstoffgas und der Kathode zugeführter Luft Energie zu erzeugen;
einen Gasabgabemechanismus stromabwärts eines Gasdurchlasses in der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellt und betriebsbereit, um den Gasdurchlass in der Anode als Reaktion auf eine Reinigungsaufforderung zu reinigen;
Konzentrationsgewinnungshilfsmittel, um eine Konzentration von Brennstoffgas in dem Gasdurchlass der Anode zu erhalten;
Vergleichshilfsmittel, um, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, die durch die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel gewonnene Brennstoffgaskonzentration mit einem Referenzwert zu vergleichen; und
Steuerhilfsmittel, um, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung auszuwählen, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichshilfsmittel, und die ausgewählte Anlasssteuerung auszuführen, wobei die erste Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach...

Description

Grundlage der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellensystemsteuerverfahren.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2005-353569 ( JP-A-2005-353569 ) beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das derart angepasst ist, dass es während seines regulären Betriebs ohne die Abgabe eines Brennstoffgases arbeitet (wird im folgenden als „Brennstoffzellensystem vom Typ Anodensackgasse” bezeichnet). In Brennstoffzellensystemen vom Typ Anodensackgasse sammeln sich, während der Systembetrieb andauert, in den Gasdurchlässen in den entsprechenden Brennstoffzellen Verunreinigungen einschließlich Stickstoff und Wasser an.
Falls die Oberfläche der Membranelektrodenanordung der entsprechenden Brennstoffzellen mit derartigen Verunreinigungen überzogen sind, beeinträchtigt das die elektromotorischen Reaktionen an den katalytischen Bereichen der Elektroden der entsprechenden Brennstoffzellen, was zu einer Verringerung der Spannung führt. Ferner erzeugen derartige Beeinträchtigungen der elektromotorischen Reaktionen anormale elektrische Potentiale, welche die Membranelektrodenanordung degenerieren können. Daher wird in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen vom Typ Anodensackgasse ein Gasabgabeventil rechtzeitig geöffnet, um die, sich in den Anodengasdurchlässen ansammelnden, Verunreinigungen vom stromabwärts liegenden Ende der Anode an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abzugeben.
Wenn eine übermäßige Menge Verunreinigungen in den Gasdurchlässen existiert, kann ferner, sobald das Brennstoffzellensystem angelassen wird, die Energieerzeugung des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt werden und einige Bereiche des Brennstoffzellensystems können degenerieren. In den herkömmlichen Brennstoffzellensystemen werden daher Verunreinigungen in den Anodengasdurchlässen durch die Reinigung der Anodengasdurchlässe durch das Öffnen des Abgasventils vor dem Beginn der Brennstoffzellenenergieerzeugung entfernt.
In einigen Fällen verbleibt dabei das Brennstoffgas, das in den Anodengasdurchlässen zurückgelassen wurde, als das Brennstoffzellensystem das letzte Mal ausgeschaltet wurde, in den Anodengasdurchlässen bis das Brennstoffzellensystem das nächste Mal angelassen wird. Die Menge eines derartigen Restgases hängt von dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zu dem Zeitpunkt an dem es das letzte Mal ausgeschaltet wurde, dem Zustand des Brennstoffzellensystems während des Betriebsstopp und so weiter ab und die Menge des Restgases kann daher jedes Mal, wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird, unterschiedlich sein. Insbesondere variiert die Verteilung der Brennstoffgaskonzentration in Brennstoffzellensystemen vom Typ Anodensackgasse in den Anodengasdurchlässen abhängig von verschiedenen Faktoren, beinhaltend die Flussrate des den Brennstoffzellen zugeführten Brennstoffgases. Daher hängt die Menge des Brennstoffgases, das in den Anodengasdurchlässen zurückgelassen wird, wenn die Brennstoffzelle ausgeschaltet wird, von der Rate (Flussrate) ab, mit der das Brennstoffgas der Brennstoffzelle unmittelbar vor dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems zugeführt wurde.
Falls die Anodengasdurchlässe gereinigt werden, wenn Verunreinigungen und Brennstoffgas in den Anodengasdurchlässen existieren, wird das Brennstoffgas unvermeidlich zusammen mit den Verunreinigungen an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben. Falls die Anodengasdurchlässe gereinigt werden, wenn eine relativ große Menge Brennstoffgas in den Anodengasdurchlässen zurückgelassen wurde, erhöht sich auf diese Weise die Menge des unnötig abgegebenen Brennstoffgases, das nicht zur Energieerzeugung genutzt wurde, entsprechend. Allerdings sollte, mit Blick auf die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit, eine derartige Verschwendung von Brennstoffgas so weit wie möglich vermieden werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das Brennstoffzellenenergieerzeugung anlaufen lässt, während es die Menge von unvermeidlich abgegebenem Brennstoffgas minimiert und bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren ein solches Brennstoffzellensystem zu steuern.
Der erste Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem das aufweist: eine Brennstoffzelle aufweisend eine Anode und eine Kathode und betriebsbereit, um Energie zu erzeugen unter Verwendung eines der Anode zugeführten Brennstoffgases und der Kathode zugeführten Luft; ein Gasabgabemechanismus stromabwärts eines Gasdurchlasses in der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellt und betriebsbereit, um den Gasdurchlass in der Anode als Reaktion auf eine Reinigungsaufforderung zu reinigen; Konzentrationsgewinnungshilfsmittel, die eine Konzentration von Brennstoffgas in dem Gasdurchlass der Anode gewinnt; Vergleichshilfsmittel, die, nachdem eine Anforderung zum Starten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, die durch die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel gewonnen Brennstoffgaskonzentration mit einem Referenzwert vergleicht; und Steuerhilfsmittel, die, nachdem eine Anforderung zum Starten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung auswählen, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichshilfsmittel, und die ausgewählte Anlasssteuerung ausführen, wobei die erste Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach der Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird, und wobei die zweite Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne die Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird.
Gemäß des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems wird, während des Anlassens des Brennstoffzellensystems, die Brennstoffgaskonzentration in dem Gasdurchlass in der Anode mit dem Referenzwert verglichen, um zu ermitteln, ob die Menge des Brennstoffgases in dem gleichen Gasdurchlass ausreichend ist, um die Brennstoffzellenenergieerzeugung anzulassen. Dann wird der Anlassmodus, basierend auf dem Ergebnis dieser Ermittlung, zwischen dem Modus, in welchem der Gasdurchlass in der Anode vor der Brennstoffzellenenergieerzeugung gereinigt wird, und dem Modus, in welchem die Brennstoffzellenenergieerzeugung angelassen wird, ohne den Gasdurchlass in der Anode zu reinigen, umgeschaltet. Gemäß dieses Verfahrens wird, weil die Reinigung nur durchgeführt wird, wenn ermittelt wurde, dass die Brennstoffgaskonzentration nicht ausreichend ist, um die Brennstoffzellenenergieerzeugung anzulassen, Brennstoffgas, in einem Zustand, in welchem die Brennstoffzellenenergieerzeugung angelassen werden kann ohne eine Reinigung durchzuführen, nicht unnötig abgegeben. Dementsprechend kann die Brennstoffzellenenergieerzeugung angelassen werden, wobei die Menge des unvermeidlich abgegebenen Brennstoffgases minimiert wird.
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann weiterhin über Brennstoffzuführungshilfsmittel verfüngen, um während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle Brennstoffgas zu dem Gasdurchlass in der Anode zuzuführen und kann derart sein, dass: der Gasabgabemechanismus in der Lage ist eine Gasabgaberate variabel einzustellen und angepasst ist, nötigenfalls in einem Gasabgabemodus zu arbeiten, in dem Gas an die Umgebung des Brennstoffzellensystems mit einer, im Vergleich zu der Rate mit der Brennstoffgas in dem Gasdurchlass in der Anode verbraucht wird, niedrigen Rate abgegeben wird; und in der zweiten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel den Gasabgabemechanismus in den Gasabgabemodus versetzen, nachdem die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne die Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wurde.
Gemäß der oben beschriebenen Bauweise wird der Anlassmodus, während des Anlassens des Brennstoffzellensystems, zwischen dem Modus, in welchem der Gasdurchlass in der Anode vor dem Anlassen der Brennstoffzellenenergieerzeugung gereinigt wird, und dem Modus, in welchem die Brennstoffzellenenergieerzeugung ohne die Reinigung durchzuführen angelassen wird, umgeschaltet und anschließend beginnt das Gas im Gasdurchlass in der Anode im Gasabgabemodus abgegeben zu werden. Dementsprechend wird in einem Zustand, in welchem zum Anlasszeitpunkt des Brennstoffzellensystems restliche Verunreinigungen im Gasdurchlass in der Anode existieren, das Verfahren und Steuerzeit zum Abgeben der Verunreinigungen, in Übereinstimmung mit der Brennstoffgaskonzentration im Gasdurchlass in der Anode, richtig gewählt. Dementsprechend kann das Brennstoffzellensystem angelassen werden, wobei die Menge des unweigerlich abgegebenen Brennstoffgases minimiert wird.
Ferner kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem derart sein, dass in einer zweiten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel, nachdem der Gasabgabemechanismus in den Gasabgabemodus versetzt wurde, eine höherratige Gasabgabesteuerung ausführen, in welcher der Gasabgabemechanismus für eine vorbestimmte Zeit mit einer Gasabgaberate, die höher als die reguläre Gasabgaberate für den Gasabgabemodus ist, betrieben wird.
Gemäß der oben beschrieben Bauweise kann ein Mangel an Brennstoffgas, während des Anlassens des Brennstoffzellensystems, zuverlässiger verhindert werden. Für den Zweck, die Menge des unvermeidlich abgegebenen Wasserstoffs zu minimieren, ist die reguläre Gasabgaberate niedrig im Vergleich zu der Rate, mit der Brennstoffgas für die Energieerzeugung in der Brennstoffzelle verbraucht wird. Andererseits erhöht sich dann die Verunreinigungskonzentration an der stromabwärts liegenden Seite des Gasdurchlasses, wenn die Energieerzeugung der Brennstoffzelle mit Restverunreinigungen im Gasdurchlass in der Anode angelassen wird. Um dieses zu verhindern wird in einem Zustand, in welchem die Menge solcher restlicher Verunreinigungen dazu neigt groß zu sein, die Gasabgaberate erhöht, um die Verunreinigungen schnell abzugeben. Dementsprechend kann das Brennstoffzellensystem angelassen werden, wobei die Menge des unvermeidlich abgegebenen Wasserstoffs minimiert und eine schnelle Abgabe der Verunreinigungen sichergestellt wird.
Ferner kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem Einstellhilfsmittel aufweisen, um die Gasabgaberate des Gasabgabemechanismuses für die höherratige Gasabgabesteuerung basierend auf der von den Konzentrationsgewinnungshilfsmitteln gewonnenen Brennstoffgaskonzentration einzustellen.
Gemäß der oben beschrieben Bauweise kann, wenn die Gasabgaberate nachdem Anlassen des Brennstoffzellensystems erhöht werden muss, um die Verunreinigungen schnell abzugeben, die Gasabgaberate genau auf eine Menge erhöht werden, die der Brennstoffgaskonzentration im Gasdurchlass in der Anode entspricht.
Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensteuerverfahren beinhaltend: Gewinnen der Konzentration des Brennstoffgases in einem Gasdurchlass in einer Anode einer Brennstoffzelle; Ermitteln, ob die gewonnene Brennstoffgaskonzentration niedriger als ein Referenzwert ist; Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach der Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode, falls die gewonnene Brennstoffgaskonzentration niedriger als der Referenzwert ist; und Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode, falls die gewonnene Brennstoffgaskonzentration nicht niedriger als der Referenzwert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgenannten und weiteren Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung der Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen Elemente darzustellen und in denen:
1 eine Ansicht ist, die schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Beispielausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine schematische Ansicht ist, welche die interne Bauweise einer jeden Brennstoffzelle zeigt und veranschaulicht, was während des Betriebs des Brennstoffzellensystems in der Brennstoffzelle geschieht;
3 ein Graph ist, welcher die Beziehung zwischen der Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass und dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit darstellt;
4A und 4B Graphen sind, welche den Anlassvorgang des Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform veranschaulichen;
5 ein Graph ist, welcher die Berechnungsergebnisse darstellt, welche die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass zu Beginn der Brennstoffzellenenergieerzeugung veranschaulicht; und
6 ein Flußdiagramm ist, das eine Steuerroutine, welche in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform ausgeführt wird.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Beispielausführungsform der Erfindung. Dieses Brennstoffzellensystem erzeugt Energie an einer Brennstoffzelleneinheit 2 und führt die erzeugte Energie verschiedenen Lasten (z. B. Motoren) zu. Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist ein Brennstoffzellenstapel, ausgeführt als eine Mehrzahl von übereinander gestapelten Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle ist ausgeführt als ein Paar Energiesammelplatten und einer zwischen den Energiesammelplatten eingefügten Membranelektrodenanordung, nichts hiervon wird in den Zeichnungen dargestellt. Die Membranelektrodenanordung ist als eine Festpolymerelektrolytenmembran ausgeführt, katalytische Bereiche liegen eingebaut an beiden Seiten der Festpolymerelektrolytenmembran vor, und Gasdiffusionsschichten liegen an den äußeren Seiten der entsprechenden katalytischen Bereiche eingebaut vor. Jede Energiesammelplatte dient weiterhin als ein Separator, der zwei benachbarte Membranelektrodenanordungen gegenseitig abschottet. Jede Brennstoffzelle erzeugt Energie unter Verwendung von Wasserstoff (Brennstoffgas), welches der Anode zugeführt wird, und der Luft, die der Kathode zugeführt wird.
Ein Wasserstoffzuführungsrohr bzw. -leitung 6 ist mit der Brennstoffzelleneinheit 2 so verbunden, dass Wasserstoff der Brennstoffzelleneinheit 2 mittels des Wasserstoffzuführungsrohrs 6 zugeführt wird. In dem Wasserstoffzuführungsrohr 6 liegen ein Wasserstoffdruckeinstellventil 8 und ein Wasserstoffeinlassventil 10 in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtigenseite aus vor. Wasserstoff wird am Druckeinstellventil 8 auf einen Solldruck dekomprimiert und dann der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt. Der, der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführte Wasserstoff wird an die Anoden der entsprechenden Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 2 durch einen in der Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildeten Zuführungsverteiler (in den Zeichnungen nicht gezeigt) geliefert.
Das Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform weißt ein Gasabgaberohr bzw. -leitung 12 auf, durch das Anodengas aus der Brennstoffzelleneinheit 2 abgegeben wird. Das Gasabgaberohr 12 ist mit den stromabwärtigen Enden der Gasdurchlässe in den Anoden der entsprechenden Brennstoffzellen mittels eines in der Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildeten Gasabgabeverteilers (in den Zeichnungen nicht gezeigt) verbunden. In der folgenden Beschreibung werden die Gasdurchlässe in den Anoden der entsprechenden Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 gesammelt als „Anodengasdurchlass 42” bezeichnet. So wird das Gas in dem Anodengasdurchlass 42 (Anodengas) mittels des Gasabgabeverteilers gesammelt und dann zum Gasabgaberohr 12 abgegeben. Das stromabwärtige Ende des Gasabgaberohrs 12 ist zur Atmosphäre geöffnet oder es ist mit einem Verdünner verbunden.
Ein elektromagnetisch angesteuertes Gasabgabeventil 14 liegt im Gasabgaberohr 12 vor. Das Gasabgabeventil 14 ist ein Gasabgabemechanismus betrieben durch eine Leistungssteuerung, um den Übertragungszustand des Gasabgaberohrs 12 wie benötigt zu schalten. Vorzugsweise ist das Gasabgabeventil 14 ein Einspritztyp, weil es eine wesentliche Flußratenregelbarkeit bietet. Das liegt daran, dass Gasabgabeventile vom Einspritztyp mit einer verstellbaren Rate geöffnet und geschlossen werden können und weiterhin eine gutes Hochfrequenzansprechverhalten aufweisen, die Verwendung eines solchen Ventils bietet eine hohe Flußratenregelbarkeit. Daher kann, falls das Gasabgabeventil 14 ein Gasabgabeventil vom Einspritztyp ist, die Gasabgaberate, verglichen mit einem Gasabgabeventil 14, das ein Ventil ist, von dem nur der Öffnungswinkel verstellbar ist, genau gesteuert werden.
Die Menge des an die Umgebung des Brennstoffzellensystem mittels des Anodengasdurchlasses 42 abgegebenen Anodengases kann durch die Steuerung der Leistungsrate des Gasabgabeventils 14 gesteuert werden. So wird in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform Leistungssteuerung des Gasabgabeventils 14 so ausgeführt, dass das Anodengas mit einer, verglichen mit der Rate, mit der Wasserstoff im Anodengasdurchlass 42 verbraucht wird, sehr niedrigen Rate an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird (nachfolgend als „fortlaufender Niedrigratengasabgabebetrieb” bezeichnet). Im Folgenden wird der Modus der Leistungssteuerung, um diesen fortlaufenden Niedrigratengasabgabebetrieb durchzuführen, nachfolgend als „Gasabgabemodus” bezeichnet werden.
Wenn nötig, wir das Gasabgabeventil 14 weit geöffnet, um den Anodengasdurchlass 42 zu reinigen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Gas im Anodengasdurchlass schnell an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben. Umgekehrt wird, wenn nötig, das Gasabgabeventil 14 vollständig geschlossen, wodurch die stromabwärtige Seite des Anodengasdurchlasses 42 geschlossen wird. Dementsprechend wir das Gasabgabeventil in mindestens drei Betriebsmodi betrieben, „Gasabgabemodus”, „Reinigungsmodus” und „Geschlossenermodus”.
Ein Luftzuführungsrohr 30 ist mit der Brennstoffzelleneinheit 2 so verbunden, dass der Brennstoffzelleneinheit 2 Luft durch das Luftzuführungsrohr 30 zugeführt wird. Eine Luftpumpe 32 liegt im Luftzuführungsrohr 30 vor. Die Luftpumpe 32 schickt mittels des Luftzuführungsrohrs 30 Luft zur Brennstoffzelleneinheit 2. Die, der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführte Luft wird mittels eines in der Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildeten Zuführungsverteilers auf die Kathoden der entsprechenden Brennstoffzellen verteilt. Nach dem Umwälzen durch jede Kathode, wird die Luft bei einem in der Brennstoffzelleneinheit 2 ausgebildeten Gasabgabeverteiler gesammelt und dann an ein Gasabgaberohr 34 abgegeben.
Der Betrieb des Gasabgabeventils 14 wird durch eine Steuereinheit 20 gesteuert. Die Steuereinheit 20 ist mit einem Drucksensor 26, einem Temperatursensor 24 und einem Stromdetektor 22 verbunden. Der Temperatursensor 24 ist an der Brennstoffzelleneinheit 2 angebracht, um die Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 2 zu detektieren. Der Stromdetektor 22 ist an der Brennstoffzelleneinheit 2 angebracht, um den Strom der Brennstoffzelleneinheit 2 zu detektieren. Der Drucksensor 26 detektiert den Druck im Anodengasdurchlass 42 (2).
2 zeigt schematisch die interne Bauweise einer jeden Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 2 und veranschaulicht, was während des Betriebs des Brennstoffzellensystems in der Brennstoffzelle geschieht. In 2 sind nur die Hauptbereiche der Brennstoffzelle gezeigt und andere Bereiche einschließlich der entsprechenden Energiesammelplatten und der entsprechenden Verteiler werden nicht gezeigt. Auf 2 wird in der folgenden Beschreibung bei Bedarf zusammen mit 1 Bezug genommen.
Gemäß 2, sind Gasdurchlässe an den entsprechenden Seiten einer Membranelektrodenanordung 40 jeder Brennstoffzelle ausgebildet. Einer von diesen ist der Anodengasdurchlass 42 und der andere ist ein Kathodengasdurchlass 44. Während des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit, wird dem Anodengasdurchlass 42 Wasserstoff zugeführt und dem Kathodengasdurchlass 44 wird Luft zugeführt. Zu beachten ist, dass die Formen und Bauweisen dieser Gasdurchlässe 42, 44 nicht besonders beschränkt sind. Zum Beispiel können Nuten in der Oberfläche der Energiesammelplatten (Seperator) ausgebildet sein und als Gasdurchlässe 42, 44 verwendet werden. Alternativ können poröse Schichten, hergestellt aus leitendem Material, zwischen den entsprechenden Energiesammelplatten und der Membranelektrodenanordung 40 vorliegen. In diesem Fall werden, die Gasdurchlässe 42, 44 durch die aufeinanderfolgenden Poren in den porösen Schichten ausgebildet.
Luft, die dem Kathodengasdurchlass 44 zugeführt wird, enthält Stickstoff (N₂) sowie Sauerstoff (O₂), der für die Energieerzeugung genutzt wird. Stickstoff ist ein inaktives Gas und wird daher mittels des Kathodengasdurchlasses 44 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben, ohne zur Energieerzeugung genutzt zu werden. Dennoch durchdringt ein Teil solchen Stickstoffs die Membranelektrodenanordung 40 und dringt in den Anodengasdurchlass 42 ein, wie durch die Pfeile in 2 veranschaulicht wird.
Diese Stickstoffdurchdringung zur Seite des Anodengasdurchlass 42 wird durch den Unterschied zwischen dem Stickstoffpartialdruck im Kathodengasdurchlass 44 und dem im Anodengasdurchlass 42 verursacht. Der Stickstoff (N₂), welcher die Membranelektrodenanordung 40 passierte, wird durch den Fluss des Wasserstoffs (H₂) im Anodengasdurchlass 42 zur stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42 gebracht, wie durch die Pfeile in 2 schematisch veranschaulicht wird.
Stickstoff wird an der Anode ebenfalls nicht zur Energieerzeugung genutzt. Daher sammelt sich, solange die stromabwärtige Seite des Anodengasdurchlasses 42 durch das Gasabgabeventil 14 geschlossen ist, der Stickstoff im Anodengasdurchlass 42 allmählich am stromabwärtigen Ende des Anodengasdurchlasses 42, wie 2 schematisch veranschaulicht. Falls die Oberflächen der Membranelektrodenanordung 40 mit solchem Stickstoff überzogen sind, beeinträchtigt das die elektromotorischen Reaktionen an den katalytischen Bereichen der Membranelektrodenanordung 40. Solche Beeinträchtigungen reduzieren die Spannung der Brennstoffzelle und erzeugen anormale elektrische Potentiale, welche die Membranelektrodenanordung 40 degenerieren können.
Dies im Blick, wird in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform das Gasabgabeventil 14 durch Leistungssteuerung so gesteuert, dass der Stickstoff im Anodengasdurchlass 42 nach und nach an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird. Zu beachten ist, dass in der ersten Beispielausführungsform, die Menge von abzugebendem Gas im Gasabgabemodus auf einen Wert eingestellt wird, welcher der Menge an sich zur Anode bewegendem Stickstoff pro Zeiteinheit entspricht (nachfolgend als „Kreuzleckage Stickstoffmenge” bezeichnet). Auf diese Weise wird eine passende Menge des Stickstoffs abgegeben, während die Menge von unvermeidlich abgegebenem Wasserstoff minimiert wird.
Sowie Stickstoff enthält Luft verschiedene andere Verunreinigungen, die nicht zur Energieerzeugung genutzt werden, wie beispielsweise Wasserdampf und Kohlenoxid. Trotzdem sind die Konzentrationen von solchen Verunreinigungen in Luft, verglichen mit der des Stickstoffs, äußerst gering und daher wird in dieser Beispielausführungsform nur Stickstoff als die Verunreinigung in Luft berücksichtigt. Dennoch bedeutet das nicht, dass andere Verunreinigungen außer Stickstoff vom Schutzumfang der Erfindung ausgenommen sind.
3 ist ein Graph, der die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass 42 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform darstellt und veranschaulicht, wie genannte Verteilung variiert. Zu beachten ist, dass die Differenz der Wasserstoffkonzentration von 100% an jedem Punkt des Graphen die Stickstoffkonzentration am gleichen Punkt darstellt. Im Graphen zeigt die durchgehende Kurve die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass 42 in einem Zustand, in welchem sich Stickstoff am stromabwärtigen Ende des Anodengasdurchlasses 42 angesammelt hat. Falls in diesem Zustand der oben erwähnte fortlaufende Niedrigratengasabgabebetrieb ausgeführt wird, kann der Stickstoff bevorzugt abgegeben werde, während die Menge des abgegebenen Wasserstoffs minimiert wird.
Die Stickstoffverteilung im Anodengasdurchlass 42 hängt vom Zustand des Stickstoffflusses im Anodengasdurchlass 42 ab. Wenn Stickstoff zum stromabwärtigen Ende im Anodengasdurchlass 42 fließt, wie durch die Pfeile in 2 schematisch veranschaulicht wird, sammelt sich Stickstoff unvermeidlich am stromabwärtige Ende des Anodengasdurchlasses 42 an.
Dabei hängt der Zustand des Stickstoffflusses im Anodengasdurchlass 42 von der Rate, mit der Stickstoff in den Anodengasdurchlass 42 diffundiert, und der Rate, mit der Wasserstoff im Anodengasdurchlass 42 fließt, ab. Falls die Wasserstoffflussrate höher ist als die Stickstoffdiffusionsrate, wird der Stickstoff, der in den Anodengasdurchlass 42 durch die Membranelektrodenanordung 40 eindrang, zur stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42 gebracht, ohne dass er zur stromaufwärtigen Seite diffundiert. Folglich wird die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass 42 so, wie die durchgängige Kurve in 3 angezeigt.
Andererseits diffundiert, falls die Wasserstoffflussrate niedriger als die Stickstoffdiffusionsrate ist, der Stickstoff zur stromaufwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42. Folglich wird die Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass 42 so, wie die gepunktete Kurve in 3 angezeigt. Die Wasserstoffflussrate wird kontinuierlich auf einen Wert eingestellt, welcher der Betriebslast der Brennstoffzelleneinheit 2 unter der Steuerung der Steuereinheit 20 entspricht. Das heißt, so, wie sich die Betriebslast an der Brennstoffzelleneinheit 2 erhöht, so erhöht sich der benötigte Ausgangsstrom, und daher wird die Wasserstoffflussrate entsprechend erhöht.
Dementsprechend variieren die Gaskonzentrationsverteilungen im Anodengasdurchlass 42 entsprechend dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, und so wie die Gaskonzentrationsverteilungen im Anodengasdurchlass 42 variieren, variiert die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 entsprechend. Daher wird die Gasabgaberate für den Gasabgabemodus, vorzugsweise unter Berücksichtigung der Menge des Stickstoffs, der sich durch die Membranelektrodenanordung 40 bewegt und der Wasserstoffkonzentrationsverteilung im Anodengasdurchlass 42 ermittelt. Dies im Blick kann, zum Beispiel, die übliche Gasabgaberate für den Gasabgabemodus in Übereinstimmung mit dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit 2 geändert werden. Ferner können in diesem Fall der Druck im Anodengasdurchlass 42 und die durch Veränderungen in der Temperatur im Anodengasdurchlass 42 verursachten Veränderungen der Stickstoffdiffusionsrate ebenfalls als Parameter mit einbezogen werden.
In dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform speichert die Steuereinheit 20 Daten eines Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahrens. Diese Methode wird ausgeführt, um die Menge von im Anodengasdurchlass 42 verbleibendem Brennstoffgases abzuschätzen, basierend auf der Zeitspanne zwischen dem letzten Mal, dass das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wurde, und dem diesmaligen Anlassen des Brennstoffzellensystems.
Wie vorher unter Bezugnahme auf 2 erwähnt, verursacht der Partialdruckunterschied zwischen der Anode und der Kathode, die sich einander über die Membranelektrodenanordung 40 gegenüber liegen, Gasbewegung zwischen der Anode und der Kathode. Falls das Brennstoffzellensystem, nachdem es eine Zeit lang in einem gewissen Zustand betrieben wurde, abgeschaltet wird, verbleibt Wasserstoff im Anodengasdurchlass 42 in einer Menge, die diesem Betriebszustand entspricht. Dieser restliche Wasserstoff bewegt sich in der Zeit nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems zum Kathodengasdurchlass 44.
Folglich nimmt die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 in der Zeit, nachdem das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wurde, allmählich ab.
Andererseits bewegt sich, im Gegensatz zu einer solchen Abnahme der Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42, Stickstoff von der Anode zur Kathode aufgrund des Unterschieds des Stickstoffpartialdrucks zwischen der Anode und der Kathode. Im Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahren wird die Menge des Gases, das sich pro Zeiteinheit von der Kathode zur Anode bewegt (Kreuzleckage-Menge), im Voraus ermittelt und die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 wird in Übereinstimmung mit der Zeitspanne seit dem Abschalten des Brennstoffzellensystems abgeschätzt.
Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben. 4A und 4B sind Graphen, die veranschaulichen, wie das Gasabgabeventil 14 in der Zeit zwischen dem Anlassen des Brennstoffzellensystems und dem Beginn der üblichen Energieerzeugung an der Brennstoffzelleneinheit 2 gesteuert wird. In den Graphen aus 4A und 4B stellt die vertikale Achse die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 dar und die horizontale Achse stellt die Zeit dar. In den Graphen stellt T₁ den Zeitpunkt dar, zu dem die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 beginnt, und daher stellt die Region links von der Zeit T₁ die Zeitspanne dar, in der das Brennstoffzellensystem angelassen wird und daher keine Energie erzeugt wird, und die Region auf der rechten Seite der Zeit T₁ stellt die Zeitspanne dar, in der das Brennstoffzellensystem in der Brennstoffzelleneinheit 2 Energie erzeugt. In den Graphen stellt Q_N die üblicherweise am Gasabgabeventil 14 eingestellte Gasabgaberate im Gasabgabemodus dar.
Ferner wird in der ersten Beispielausführungsform die minimale Wasserstoffkonzentration, welche für die Brennstoffzelleneinheit 2 zum Anlassen der Energieerzeugung benötigt wird, im Voraus empirisch ermittelt. Insbesondere wird die minimale Wasserstoffkonzentration, die zur Erzeugung eines ausreichenden Niveaus der OCV (Leerlaufspannung) zu Beginn der Energieerzeugung benötigt wird (nachfolgend als „untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min” bezeichnet), im Voraus empirisch ermittelt. Die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min beträgt, zum Beispiel, ungefähr 10%.
Wenn in der ersten Beispielausführungsform nach dem Anlassen des Brennstoffzellensystems eine Anforderung an die Brennstoffzelleneinheit 2, die Energieerzeugung anlaufen zulassen, ausgegeben wird, führt die Steuereinheit 20 zuerst das Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahren aus, dessen Daten in der Steuereinheit 20 gespeichert sind. Im in 4A und 4B veranschaulichten Beispiel, wird zur einfacheren Beschreibbarkeit angenommen, dass das Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahren zur Zeit T₀ ausgeführt wird. So wird ein geschätzer Wert C der Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 zur Zeit T₀ gewonnen.
Anschließend wird die geschätzte, zur Zeit T₀ gewonnene Wasserstoffkonzentration C mit der unteren Grenzwasserstoffkonzentration C_min verglichen. Falls zu dieser Zeit die geschätzte Wasserstoffkonzentration C niedriger als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min (C < C_min) ist, zeigt dieses an, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 noch nicht bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zulassen. Falls andererseits die geschätzte Wasserstoffkonzentration C gleich oder höher als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min (C ≥ C_min) ist, zeigt dieses an, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 bereit ist die Energieerzeugung anlaufen zu lassen. Dementsprechend wird durch Vergleich zwischen der geschätzten Wasserstoffkonzentration C und der unteren Grenzwasserstoffkonzentration C_min ermittelt, ob die Brennstoffzelleneinheit 2 bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zu lassen.
Anschließend wird eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung, die später beschrieben werden, basierend auf dem Ergebnis des obigen Vergleichs zwischen der geschätzten Wasserstoffkonzentration C und der unteren Grenzwasserstoffkonzentration C_min ausgewählt und die gewählte Anlasssteuerung wird ausgeführt. Im folgenden wird die erste Anlasssteuerung unter Bezugnahme auf 4A beschrieben werden und die zweite Anlasssteuerung unter Bezugnahme auf 4B beschrieben werden.
Im Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform wird, falls die geschätzten Wasserstoffkonzentration C niedriger als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist, die erste Anlasssteuerung ausgeführt. Der Graph in 4A veranschaulicht den Betrieb des Gasabgabeventils 14 unter der ersten Anlasssteuerung. Im Graphen in 4A stellt die durchgehende Kurve die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 dar. In der ersten Anlasssteuerung wird der Anodengasdurchlass zuerst gereinigt. Insbesondere wird das Gasabgabeventil 14 zu dieser Zeit betrieben, um die Gasabgaberate auf Q_P einzustellen, die eine vorbestimmte Rate ist, um ein Gasgesamtvolumen V_A in den Anodengasdurchlässen in den entsprechenden Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 schnell abzugeben. Durch diese Reinigung, wird Stickstoff aus dem Anodengasdurchlass 42 entfernt, wodurch eine gute Anlassbarkeit des Brennstoffzellensystems sichergestellt wird.
Nachdem die Reinigung des Anodengasdurchlasses 42 beendet wurde, wird das Gasabgabeventil 14 geschlossen. Dann wird ein Verfahren zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 zur Zeit T₁ ausgeführt, so dass Wasserstoff anfängt der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt zu werden und die Brennstoffzelleneinheit 2 anfängt Energie auf einem bestimmten Niveau zu erzeugen.
Ferner wird in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform das Gasabgabeventil 14, nach dem anlaufen lassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2, geschlossen gehalten, bis eine vorbestimmte Zeit T_C vergangen ist. Die vorbestimmte Zeit T_C ist Zeit, die gebraucht wird, bis die Wasserstoffkonzentration nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 nach dem Reinigen des Anodengasdurchlasses 42 am stromabwärtigen Ende des Anodengasdurchlasses 42 im wesentlichen Null wird. Daher wird das Gasabgabeventil 14 für die vorbestimmte Zeit T_C nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 geschlossen gehalten. Die vorbestimmte Zeit T_C wird im Voraus ermittelt unter Berücksichtigung der Stickstoffdurchdringungsmenge, der Ausgangsstromdichte, usw. Wenn die vorbestimmte Zeit T_C vergangen ist, wird das Gasabgabeventil 14 in den oben erwähnten Gasabgabemodus gesetzt, wodurch die übliche Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 anläuft.
In der ersten Anlasssteuerung kann der Anodengasdurchlass 42 zu Beginn der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit fast reinem Wasserstoff befüllt werden, weil die Reinigung des Anodengasdurchlasses 42 während des Anlassens des Brennstoffzellensystems wie oben beschrieben durchgeführt wurde. Um die Menge des unvermeidlich abgegebenen Wasserstoffs zu minimieren, sollte das Gasabgabeventil 14 nicht unnötig geöffnet werden, wenn die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 hoch ist. Dies im Blick, wird gemäß der ersten Anlasssteuerung in der ersten Beispielausführungsform Energieerzeugung mit geschlossenem Gasabgabeventil 14 durchgeführt, bis die Menge an Stickstoff im Anodengasdurchlass 42 auf ein Niveau angestiegen ist, das die Stickstoffabgabe erfordert.
Die vorbestimmte Zeit T_C kann zum Beispiel auf die folgende Weise ermittelt werden. Zuerst wird die Menge des Stickstoffs, der unter dem Betriebszustand beim Anlassen der Energieerzeugung zum Anodengasdurchlass 42 durchsickert (Kreuzleckage Stickstoffmenge), empirisch ermittelt und ein Kennfeld zur Ermittlung der Stickstoffmenge im Anodengasdurchlass 42 in Übereinstimmung mit der verstrichenen Zeit wird basierend auf der ermittelten Kreuzleckage-Stickstoffmenge entworfen. Unter Einbeziehung dieses Kennfelds ist es möglich, die Menge des Stickstoffs an der stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42 zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Anlassen der Energieerzeugung abzuschätzen. Ferner kann die Wasserstoffflussrate zu dieser Zeit ebenfalls ermittelt werden, falls die Ausgangsstromdichte beim Anlassen der Energieerzeugung konstant ist. Ferner kann die Menge des zur Energieerzeugung verbrauchten Wasserstoffs aus der Abgabe beim Anlassen des Brennstoffzellensystems ermittelt werden. Unter Verwendung solcher Informationen kann prognostiziert werden, wie die Wasserstoffkonzentrationsverteilung sich in der Zeit nach dem Anlassen der Energieerzeugung ändert, und basierend auf dem Ergebnis dieser Prognose kann die Zeit abgeschätzt werden, die benötigt wird, damit die Wasserstoffkonzentration am stromabwärtigen Ende des Anodengasdurchlasses 42 nach dem Anlassen der Energieerzeugung im wesentlichen Null wird.
Falls die Ausgangsstromdichte sich nach dem Anlassen der Energieerzeugung ändert, ändert sich die Kreuzleckage Stickstoffmenge. Ferner ändert sich die Kreuzleckage-Stickstoffmenge ebenfalls in Abhängigkeit der Beschaffenheit der Elektrolytenmembran der Membranelektrodenanordung 40. Daher wird das oben erwähnte Kennfeld zum Abschätzen der Stickstoffmenge vorzugsweise geändert oder nachgeregelt, in Übereinstimmung mit der Ausgangsstromdichte beim Anlassen der Energieerzeugung und der Beschaffenheit der Elektrolytenmembran der Membranelektrodenanordung 40. Ferner kann, ebenso wie oder anstatt des oben erwähnten Kennfeldes, ein Modell zur Abschätzung der Menge des Stickstoffs im Anodengasdurchlass 42 vorbereitet und verwendet werden. Dementsprechend kann die Zeit vom Anlassen der Energieerzeugung bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Abgabe (Spannung) des Brennstoffzellensystems anfängt abzunehmen, auf einfachere Weise empirisch ermittelt werden.
Dabei wird im Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform die zweite Anlasssteuerung, die in 4B veranschaulicht wird, ausgeführt, falls die geschätzte Wasserstoffkonzentration C gleich oder höher als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist. Im Graph aus 4B stellt die gepunktete Linie dar, wie die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 in der zweiten Anlasssteuerung über die Zeit verändert wird. Falls die geschätzte Wasserstoffkonzentration C gleich oder höher als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist, zeigt dies, wie vorher erwähnt, an, dass die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 gleich oder höher als die minimal Konzentration ist, die zum Anlassen der Energieerzeugung benötigt wird. Daher wird in der zweiten Anlasssteuerung, anders als in der ersten Anlasssteuerung, die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 angelassen, ohne den Anodengasdurchlass 42 im Voraus zu reinigen. Dementsprechend wird der Wasserstoff im Anodengasdurchlass 42 zur Energieerzeugung verwendet.
Weil die Reinigung des Anodengasdurchlasses 42 in der zweiten Anlasssteuerung, anders als in der ersten Anlasssteuerung, nicht durchgeführt wird, liegt der restliche Stickstoff immer noch im Anodengasdurchlass 42 vor, wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird. Der Graph in 5 stellt Berechnungsergebnisse dar, die anzeigen, wie sich die Wasserstoffkonzentrationsverteilung in der Zeit nach dem Anlassen der Energieerzeugung ändert, wenn der restliche Stickstoff im Anodengasdurchlass 42 verbleibt. Im Graph aus 5 stellt die horizontale Achse die Position im Anodengasdurchlass 42 dar, während die vertikale Achse einen relativ Wert der Wasserstoffkonzentration darstellt. Die Formate von 5 und 3, die beide die Wasserstoffkonzentrationen anzeigen, sind jeweils die gleichen.
In 5 zeigt der Ausgangspunkt (0 Sekunden) des Graphen aus 5 die Wasserstoffkonzentrationsverteilung in einem Zustand an, in dem die Brennstoffzelleneinheit 2 keine Energieerzeugung durchführt. 5 zeigt die nach 1, 2 und 4 Sekunden nach dem Anlassen der Energieerzeugung gewonnene Wasserstoffkonzentrationsverteilung an. Im Ausgangspunkt (0 Sekunden) wird der Brennstoffzelleneinheit 2 kein Wasserstoff zugeführt, und daher breitet sich Stickstoff gleichförmig im ganzen Anodengasdurchlass 42 aus. In diesem Zustand ist daher die Wasserstoffgaskonzentration im ganzen Anodengasdurchlass 42 gleichförmig (0,6 im Beispiel aus 5). Falls Wasserstoff anfängt zugeführt zu werden, um die Energieerzeugung in diesem Zustand anzulassen, bringt der Fluss des Wasserstoffs den Stickstoff zur stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42.
Auf diese Weise erhöht sich, während die Zeit mit 1 Sekunde, 2 Sekunden, 4 Sekunden, und so weiter vergeht, die Stickstoffkonzentration an der stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42, und daher nimmt die Wasserstoffkonzentration an der Stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42 entsprechend ab. Ferner wird während dieser Zeit, da Wasserstoff für die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 verbraucht wird, die Abnahme der Wasserstoffkonzentration an der stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42 beschleunigt. Folglich wird die Wasserstoffkonzentration an der stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42, gemäß der in 5 gezeigten Berechnungsergebnisse, 4 Sekunden nachdem Anlassen der Energieerzeugung Null. Daher kann die Energieerzeugung in diesem Bereich des Anodengasdurchlasses 42 nicht mehr weiter fortgesetzt werden.
Mit Blick auf das oben genannte, wird in der zweiten Anlasssteuerung die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 für den Gasabgabemodus für eine vorbestimmte Zeit Δt nach dem Anlassen der Energieerzeugung höher als die übliche Gasabgaberate Q_N ausgeführt, und, wenn die Zeit Δt vergangen ist, wird die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 auf die übliche Gasabgaberate Q_N gesetzt. In 4A und 4B wird die Gasabgaberate, die höher als die übliche Gasabgaberate Q_N ist, mit Q₁ bezeichnet. Dementsprechend können durch die Erhöhung der Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 in der Anfangsphase nach dem Anlassen der Energieerzeugung eine passende Verwendung von Wasserstoff zur Energieerzeugung und eine schnelle Stickstoffabgabe beim Anlassen des Brennstoffzellensystems erreicht werden.
Gemäß des Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform wird, wie oben beschrieben, die Konzentration des restlichen Wasserstoffs abgeschätzt, wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird, und es wird basierend auf der geschätzten restlichen Wasserstoffkonzentration ermittelt, ob der Anodengasdurchlass 42 vor dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 gereinigt wird. Dann wird basieren auf dem Ergebnis dieser Ermittlung eine aus der ersten Anlasssteuerung, in der vor dem Anlassen der Energieerzeugung eine Reinigung durchgeführt wird, und einer zweiten Anlasssteuerung, in der die Energieerzeugung ohne Reinigung angelassen wird, ausgewählt. Dementsprechend ist es möglich die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 anzulassen, während die Menge des unvermeidlich abgegebenen Wasserstoffs minimiert wird.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform wird im Gasabgabemodus, nachdem die Energieerzeugung in der zweiten Anlasssteuerung, in der die Reinigung des Anodengasdurchlasses 42 nicht durchgeführt wird, angelassen wurde, ferner der Niedrigratengasabgabebetrieb ausgeführt. Das heißt gemäß dem oben beschriebenen Steuerverfahren, wird der Anodengasdurchlass 42 gereinigt, falls die Brennstoffzelleneinheit 2 nicht bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zu lassen, und, falls die Brennstoffzelleneinheit 2 bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zu lassen, wird die zweite Anlasssteuerung ausgeführt, so dass Energieerzeugung im fortlaufenden Niedrigratengasabgabebetrieb durchgeführt wird, wodurch Stickstoff an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird, während die Menge des unvermeidlich abgegeben Wasserstoffs minimiert wird. Dementsprechend wird das Verfahren zum entfernen restlichen Stickstoffs zwischen den zwei Verfahren, wie es die Situation erfordert, umgeschaltet, wodurch das Brennstoffzellensystem angelassen werden kann, während die Verschwendung von Wasserstoff minimiert wird.
Gemäß des Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform wird das Gasabgabeventil 14 nach dem Anlassen der Energieerzeugung ferner mit der Gasabgaberate Q₁ betrieben. Auf diese Weise kann, selbst wenn ein große Menge an restlichem Stickstoff im Anodengasdurchlass 42 vorliegt, wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird, der restliche Stickstoff schnell an die Umgebung der Brennstoffzellensystem abgegeben werden, und daher kann ein guter Energieerzeugungszustand in einer frühen Phase erreicht werden. Dementsprechend wird die Menge des unvermeidlich abgegebenen Wasserstoffs minimiert, und der restliche Stickstoff wird, während der Energieerzeugung, schnell an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben. Zu beachten ist, dass die Gasabgaberate Q₁ unabhängig von der üblichen Gasabgaberate Q_N eingestellt werden kann.
Nachfolgen wird eine Steuerroutine, die im Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform ausgeführt wird, detailliert unter Bezugnahme auf 6 beschrieben werden. Das Flussdiagramm in 6 stellt die Steuerroutine, die im Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform ausgeführt wird, dar. Diese Steuerroutine wird ausgeführt, nachdem eine Anforderung das Brennstoffzellensystem anzulassen ausgeben wurde. Daher befindet sich das Gasabgabeventil 14 in einem geschlossenen Zustand, wenn die Steuerroutine anläuft. In einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt wird, wird basierend auf, ob die Zündung eingeschaltet wurde, ermittelt, ob das Brennstoffzellensystem gegenwärtig angelassen werden soll.
In der Steuerroutine aus 6 wird zuerst die Wasserstoffkonzentration C im Anodengasdurchlass 42 geschätzt (Schritt S100). Insbesondere schätzt die Steuereinheit 20 in diesem Schritt die gegenwärtige Wasserstoffkonzentration C durch Ausführen des Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahrens.
Dann wird ermittelt, ob die geschätzte Wasserstoffkonzentration C niedriger als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist (Schritt S102).
Insbesondere vergleicht in diesem Schritt die Steuereinheit 20 die geschätzte Wasserstoffkonzentration C mit der unteren Grenzwasserstoffkonzentration C_min und ermittelt, ob die geschätzte Wasserstoffkonzentration C niedriger als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist. Falls in diesem Schritt ermittelt wird, dass die geschätzte Wasserstoffkonzentration C niedriger als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist (C < C_min), ist ermittelt, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 nicht bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zulassen. In diesem Fall wird daher der Anodengasdurchlass 42 gereinigt (Schritt S104), so dass das Gas im Anodengasdurchlass 42 schnell an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird. Nach Schritt S104 wird die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 angelassen.
Anschließend hält die Steuereinheit 20 das Gasabgabeventil 14 für die vorbestimmte Zeit T_C nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 geschlossen (Schritt S106). Die Länge der Zeit T_C kann unter Verwendung des oben beschriebenen Kennfeldes, das die Stickstoffmenge im Anodengasdurchlass 42 entsprechend der verstrichenen Zeit anzeigt, ermittelt werden. Zum Beispiel ist die vorbestimmte Zeit T_C in einem Bereich von einigen zehn Minuten bis zu einigen Stunden eingestellt. Zu Beachten ist, dass die Länge der vorbestimmten Zeit T_C nicht auf diesen Bereich beschränkt ist. Nachdem die Zeit TC vergangen ist, wird die Gasabgaberate am Gasabgabeventil 14 auf die übliche Gasabgaberate Q_N eingestellt, danach ist der gegenwärtige Durchlauf der Steuerroutine beendet.
Andererseits wird im Schritt S102 ermittelt, dass die geschätzte Wasserstoffkonzentration C gleich oder höher als die untere Grenzwasserstoffkonzentration C_min ist (C ≥ C_min), ist ermittelt, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 bereit ist, die Energieerzeugung anlaufen zu lassen. In diesem Fall wird zuerst die Gasabgaberate Q₁, die in der Anfangsphase nach dem Anlassen des Brennstoffzellensystems verwendet werden wird, in Übereinstimmung mit der geschätzten Wasserstoffkonzentration C berechnet (Schritt S110). Insbesondere berechnet die Steuereinheit 20 in diesem Schritt die Gasabgaberate Q₁ unter Verwendung der unten angezeigten Gleichung (1). Q1 = (1 – C) × VA/Δt (1)
In der Gleichung (1), stellt „C” die geschätzte Wasserstoffkonzentration dar, und „V_A” stellt die gesamte Fassungsvermögen der Anodengasdurchlässe in den entsprechenden Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 2 dar. Gemäß Gleichung (1) wird der Wert von 0 bis 1,0 in Übereinstimmung mit der Wasserstoffkonzentration von 0 bis 100% in C eingesetzt. Zum Beispiel wird 0,5 in C eingesetzt, wenn die geschätzte Wasserstoffkonzentration 50% beträgt, und 0,1 wird in C eingesetzt, wenn die geschätzte Wasserstoffkonzentration 10% beträgt. Daher stellt in Gleichung (1) (1 – C) × V_A die gesamte Menge der Substanzen außer Wasserstoff in den Anodengasdurchlässen dar (gesamt Verunreinigungsmenge). „Δt” stellt die Zeit dar, für die Gas mit der erhöhten Rate direkt nach dem Anlassen des Brennstoffzellensystems abgegeben wird. Diese Zeit wird auf beispielsweise ungefähr 5 Sekunden eingestellt. Daher wird gemäß Gleichung 1 die Gasabgaberate Q₁ gewonnen, indem die gesamte Menge der Verunreinigungen, die nach dem Anlassen des Brennstoffzellensystems an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben werden müssen, durch eine gegebene Zeit geteilt werden.
Nachdem die Gasabgaberate Q₁ im Schritt S110 eingestellt wurde, wird die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit geschlossenem Gasabgabeventil 14 anlaufen gelassen. Dementsprechend kann der beim Anlassen des Brennstoffzellensystems im Anodengasdurchlass 42 noch vorhandene Wasserstoff für die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 verbraucht werden.
Anschließend wird das Gasabgabeventil 14 für die Zeit Δt nach dem Anlassen der Energieerzeugung mit der Gasabgaberate Q₁ betrieben (Schritt S112). Während die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 anläuft, beginnt Wasserstoff der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt zu werden, und dann reichert sich Stickstoff an der stromabwärtigen Seite des Anodengasdurchlasses 42, wie oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, an. Gemäß dem Verfahren im Schritt S112 kann der Stickstoff jedoch schnell und bevorzugt an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben werden. Dann, wenn die Zeit Δt vergangen ist, wird die Gasabgaberate auf die übliche Gasabgaberate Q_N eingestellt, danach ist der gegenwärtige Durchlauf der Steuerroutine beendet.
Gemäß der oben beschriebenen Steuerroutine kann das Brennstoffzellensystem angelassen werden, während die verschwenderische Abgabe des Wasserstoffs minimiert wird.
In der oben beschriebenen ersten Beispielausführungsform kann das Gasabgabeventil 14 als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „Gasabgabehilfsmittel” betrachtet werden, und das Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahren kann als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „Konzentrationsgewinnungshilfsmittel” betrachtet werden. Ferner kann das Verfahren von Schritt S102 der Steuerroutine der ersten Beispielausführungsform als ein Beispiel für „Vergleichshilfsmittel” und als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „Steuerhilfsmittel” betrachtet werden. Ferner können die Verfahren von Schritt S104 und dessen nachfolgende Schritte gemeinsam als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „erste Anlasssteuerung” betrachtet werden, und die Verfahren von Schritt S110 und dessen nachfolgende Schritte können gemeinsam als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „zweite Anlasssteuerung” betrachtet werden.
Ferner kann das Verfahren von Schritt S112 als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „höherratige Gasabgabesteuerung” betrachtet werden, die Zeit Δt kann als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „vorbestimmte Zeit” betrachtet werden, und das Verfahren von Schritt S110 kann als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „Einstellhilfsmittel” betrachtet werden.
Gemäß eines Brennstoffzellensystems der ersten Beispielausführungsform, wie oben beschrieben, wird das Gasabgabeventil 14 mit einer Gasabgaberate Q₁ (Q₁ > Q_N) für eine vorbestimmte Zeit nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 betrieben. Dennoch kann das Gasabgabeventil 14 nach dem Anlassen der Energieerzeugung alternativ mit der üblichen Gasabgaberate Q_N des Gasabgabeventils 14 betrieben werden. Das heißt, Schritt S110 und S112 können aus der in 6 gezeigten Steuerroutine entfernt werden.
Ferner können Informationen bezüglich der Wasserstoffkonzentration auf verschiedene andere Weisen, als durch das vorstehende Wasserstoffkonzentrationsabschätzungsverfahren, gewonnen werden. Zum Beispiel steht die Veränderung der Stickstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 in Verbindung mit der Veränderung der Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit 2. Daher kann die Stickstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 basierend auf der Veränderung der Temperatur des Kühlmittels abgeschätzt werden, und die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 kann aus der geschätzten Stickstoffkonzentration berechnet werden.
Ferner kann ein Wasserstoffkonzentrationssensor in der Brennstoffzelleneinheit 2 so vorgesehen sein, um mit dem Anodengasdurchlass 42 in Verbindung zu stehen, und die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 kann aus dem durch den Wasserstoffkonzentrationssensor detektieren Wert ermittelt werden. Ferner können verschiedene bekannte Techniken genauso gut, wie die oben Beschriebenen, verwendet werden, um Information bezüglich der Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 zu gewinnen. In dem Fall, in dem ein Wasserstoffkonzentrationssenoser eingesetzt wird, um die Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass 42 zu gewinnen, kann der Wasserstoffkonzentrationsensor als ein Beispiel für in den Ansprüchen angeführte „Konzentrationsgewinnungshilfsmittel” betrachtet werden,
In dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform wird das Gasabgabeventil 14 für die Zeit T_C nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 geschlossen gehalten (Schritt S106 der Steuerroutine in 6). Dennoch kann das Gasabgabeventil 14 alternativ direkt nach dem Anlassen der Energieerzeugung, ohne für eine Weile geschlossen gehalten worden zu sein, in den Gasabgabemodus versetzt werden.
Ferner wird in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform, wie oben beschrieben, nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 der fortlaufender Niedrigratengasabgabebetrieb durchgeführt. Dennoch kann das Brennstoffzellensystem alternativ so gestaltet sein, dass der Anodengasdurchlass 42 während der Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 periodisch gereinigt wird. In diesem Fall werden Schritt S110 und Schritt S112 aus der Steuerroutine von 6 entfernt, und das Verfahren in Schritt S108 wird auf ein Verfahren angepasst zum Anlassen der üblichen Gasabgabesteuerung (der Betriebsmodus, in dem die Energieerzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 durchgeführt wird, während der Anodengasdurchlass 42 periodisch gereinigt wird).
Gemäß dieser Anpassung kann sogar in Brennstoffzellensystemen, in denen der fortlaufende Niedrigratengasabgabebetrieb nicht durchgeführt wird, wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird, der Anlassmodus, wie in dem Brennstoffzellensystem der ersten Beispielausführungsform, richtig zwischen dem Modus, in dem die Anodengasdurchlässe vor dem Anlassen der Energieerzeugung gereinigt werden, und dem Modus, in dem genannte Reinigung nicht durchgeführt wird, umgeschaltet werden, basierend auf der Menge des in den Anodengasdurchlässen verbliebenen Brennstoffgases.
Während die Erfindung unter Bezug auf als zu bevorzugend geltende Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist verständlich das die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen oder Bauweisen beschränkt ist. Im Gegenteil beabsichtigt die Erfindung ein Vielzahl von Abwandlung und äquivalenten Ausgestaltungen abzudecken. Zusätzlich sind, während die verschiedenen Bauteile der offenbarten Erfindung in verschiedene Kombinationen und Konfigurationen, die beispielhaft sind, gezeigt wurden, andere Kombinationen und Konfigurationen, einschließlich zusätzlicher, fehlender oder einzelne Bauteile ebenfalls im Schutzumfang der Erfindung inbegriffen.
Zusammenfassung
Die Wasserstoffkonzentration in einem Anodengasdurchlass (42) einer Brennstoffzelle (2) wird gewonnen. Wenn das Brennstoffzellensystem angelassen wird, wird eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung gewählt, basierend auf der gewonnenen Wasserstoffkonzentration im Anodengasdurchlass (42). In der ersten Anlasssteuerung wird die Energieerzeugung der Brennstoffzelle (2) angelassen, nachdem der Anodengasdurchlass (42) gereinigt wurde. In der zweiten Anlasssteuerung wird die Energieerzeugung der Brennstoffzelle (2) angelassen, ohne den Anodengasdurchlass zu reinigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-353569 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit einer Anode und einer Kathode ausgestattet ist und betriebsbereit, um unter Verwendung von einem der Anode zugeführten Brennstoffgas und der Kathode zugeführter Luft Energie zu erzeugen; einen Gasabgabemechanismus stromabwärts eines Gasdurchlasses in der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellt und betriebsbereit, um den Gasdurchlass in der Anode als Reaktion auf eine Reinigungsaufforderung zu reinigen; Konzentrationsgewinnungshilfsmittel, um eine Konzentration von Brennstoffgas in dem Gasdurchlass der Anode zu erhalten; Vergleichshilfsmittel, um, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, die durch die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel gewonnene Brennstoffgaskonzentration mit einem Referenzwert zu vergleichen; und Steuerhilfsmittel, um, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung auszuwählen, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs durch die Vergleichshilfsmittel, und die ausgewählte Anlasssteuerung auszuführen, wobei die erste Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird, und wobei die zweite Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend Brennstoffzuführungshilfsmittel, um während der Energieerzeugung der Brennstoffzelle Brennstoffgas zum Gasdurchlass in der Anode zuzuführen, wobei der Gasabgabemechanismus in der Lage ist, eine Gasabgaberate variabel einzustellen und angepasst ist, nötigenfalls in einem Gasabgabemodus zu arbeiten, in dem Gas an die Umgebung des Brennstoffzellensystems mit einer, im Vergleich zu der Rate, mit der Brennstoffgas im Gasdurchlass in der Anode verbraucht wird, niedrigen Rate abgegeben wird, und in der zweiten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel den Gasabgabemechanismus in den Gasabgabemodus versetzen, nachdem die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wurde.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei in einer zweiten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel, nachdem der Gasabgabemechanismus in den Gasabgabemodus versetzt wurde, eine hochratige Gasabgabesteuerung ausführen, in welcher der Gasabgabemechanismus für eine vorbestimmte Zeit mit einer Gasabgaberate, die höher als die übliche Gasabgaberate für den Gasabgabemodus ist, betrieben wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, ferner aufweisend Einstellhilfsmittel, um die Gasabgaberate des Gasabgabemechanismus für die hochratige Gasabgabesteuerung basierend auf der von den Konzentrationsgewinnungshilfsmitteln erhaltenen Brennstoffgaskonzentration einzustellen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der ersten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel die Abgabe von Gas aus dem Gasdurchlass in der Anode mittels des Gasabgabemechanismuses für eine vorbestimmte Zeit nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle abstellen, und nachdem die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, die Steuerhilfsmittel den Gasabgabemechanismus so steuern, dass Gas fortlaufend aus dem Gasdurchlass in der Anode an die Umgebung des Brennstoffzellensystems mit einer, im Vergleich zu der Rate mit der Brennstoffgas im Gasdurchlass in der Anode verbraucht wird, niedrigen Rate abgegeben wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel die Brennstoffgaskonzentration im Gasdurchlass in der Anode durch Schätzung der Brennstoffgaskonzentration basierend auf der Zeit, seit der das Brennstoffzellensystem ausgeschalten war, erhalten.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel die Brennstoffgaskonzentration im Gasdurchlass in der Anode durch Schätzung der Brennstoffgaskonzentration basierend auf der Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle gewinnen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend einen Sensor zum Detektieren der Brennstoffgaskonzentration im Gasdurchlass der Anode, wobei die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel die Brennstoffgaskonzentration durch den Sensor detektiert gewinnen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, ferner aufweisend einen Stromdetektor zum Detektieren eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, wobei die Steuerhilfsmittel die übliche Gasabgaberate basierend auf dem durch den Stromdetektor detektierten Ausgangsstrom ändern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in der zweiten Anlasssteuerung, die Steuerhilfsmittel den Gasabgabemechanismus steuern, um den Gasdurchlass in der Anode zu reinigen, direkt nachdem die Energieerzeugung der Brennstoffzelle angelassen wurde, ohne den Gasdurchlass zu reinigen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in der ersten Anlasssteuerung die Steuerhilfsmittel die Abgabe von Gas aus dem Gasdurchlass in der Anode mittels des Gasabgabemechanismuses für eine vorbestimmte Zeit nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle abstellen, und nachdem die vorbestimmte Zeit abgelaufen ist, die Steuerhilfsmittel den Gasabgabemechanismus steuern, um den Gasdurchlass in der Anode periodisch zu reinigen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 11, wobei die Steuerhilfsmittel die Menge des Stickstoffs im Gasdurchlass in der Anode nach dem Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle schätzen und die vorbestimmte Zelt basierend auf der geschätzten Stickstoffmenge einstellen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Steuerhilfsmittel die Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode ausführen, falls die durch die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel gewonnene Brennstoffgaskonzentration niedriger als der Referenzwert ist, und die Steuerhilfsmittel keine Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode ausführen, falls die durch die Konzentrationsgewinnungshilfsmittel gewonnene Brennstoffgaskonzentration gleich oder höher als der Referenzwert ist.
Brennstoffzellensteuerverfahren, aufweisend: Gewinnung einer Konzentration von Brennstoffgas in einem Gasdurchlass in einer Anode einer Brennstoffzelle; Ermittlung, ob die gewonnene Brennstoffgaskonzentration niedriger als ein Referenzwert ist; Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode, falls die gewonnene Brennstoffgaskonzentration niedriger als der Referenzwert ist; und Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode, falls die gewonnene Brennstoffgaskonzentration nicht niedriger als der Referenzwert ist.
Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit einer Anode und einer Kathode ausgestattet ist und betriebsbereit, um unter Verwendung von einem der Anode zugeführten Brennstoffgas und der Kathode zugeführter Luft Energie zu erzeugen; ein Gasabgabemechanismus stromabwärts eines Gasdurchlasses in der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellt und betriebsbereit, um den Gasdurchlass in der Anode als Reaktion auf eine Reinigungsaufforderung zu reinigen; ein Konzentrationsgewinnungsbereich, der eine Konzentration von Brennstoffgas im Gasdurchlass der Anode gewinnt; ein Vergleichsbereich, der, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, die durch den Konzentrationsgewinnungsbereich gewonnene Brennstoffgaskonzentration mit einem Referenzwert zu vergleicht; und einen Steuerbereich, der, nachdem eine Anforderung zum Anlassen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ausgeben wurde, eine aus einer ersten Anlasssteuerung und einer zweiten Anlasssteuerung auswählt, basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs durch den Vergleichsbereich, und dann die ausgewählte Anlasssteuerung ausführt, wobei die erste Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle nach Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird, und wobei die zweite Anlasssteuerung derart ist, dass die Energieerzeugung der Brennstoffzelle ohne Reinigung des Gasdurchlasses in der Anode angelassen wird.