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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein
Steuerverfahren für das System.
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Stand der Technik
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Bisher
wurde praktisch ein Brennstoffzellensystem angewandt, das eine Brennstoffzelle
zum Empfang eines Reaktionsgases (ein Brenngas und ein Oxidationsgas)
zur Leistungserzeugung einschließt. Wenn das Brennstoffzellensystem
die Leistung erzeugt, wird in der Brennstoffzelle durch eine elektrochemische
Reaktion Wasser erzeugt. Falls die Brennstoffzelle bei einer Umgebung
mit niedriger Temperatur, unterhalb des Gefrierpunktes oder derart,
gestoppt wird und im Stillstand verharrt, während des Wasser
in der Brennstoffzelle verbleibt, wird die Startdurchführung
beim nächsten Start wegen des gelegentlichen Gefrierens
des Wassers beeinträchtigt. Deshalb wurden bisher verschiedene
Technologien zur Verringerung des Wasserinhalts vorgeschlagen.
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Andererseits
muß zur wirkungsvollen Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle
der Feuchtigkeitszustand eines die Brennstoffzelle bildenden Elektrolytfilms
erhalten bleiben. Deshalb wurde in vergangenen Jahren eine Technologie
vorgeschlagen, bei der die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle
zwangsweise fortgesetzt wird, während der Wassergehalt
der Brennstoffzelle gesteuert wird, um den Feuchtigkeitszustand
der Brennstoffzelle aufrecht zu erhalten (siehe beispielsweise die
offengelegte
japanische Patentanmeldung
Nr. 2005-26054 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Indessen
ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Reaktionsgasversorgungsvorrichtung
vorgesehen (beispielsweise ein Luftkompressor zur Zuführung
von Luft als Oxidationsgas) zur Zuführung eines Reaktionsgases
zur Brennstoffzelle. Bisher wurde eine solche Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf
der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswertes betätigt
und gesteuert, um das Reaktionsgas der Brennstoffzelle zuzuführen
und dadurch Leistung zu erzeugen.
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Jedoch
wird bei einem herkömmlichen, in der oben beschriebenen
offengelegten
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2005-26054 offenbarten Brennstoffzellensystem
in einem Leistungserzeugungsbereich mit niedrigem Strom, in welchem
sich der Strombefehlswert unter einem dem Wasserüberschuß Null
zugeordneten Stromwert (ein Stromwert, wenn der Wasserüberschuß in
der Brennstoffzelle Null wird) befindet, aufgrund einer mechanischen Drosselstelle
bei der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung die konstante Menge des
Reaktionsgases der Brennstoffzelle zugeführt wird, so daß die
Brennstoffzelle einen übermäßig trockenen
Zustand aufweisen kann.
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Die
vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine solche Situation
entwickelt und eine Aufgabe für diese ist es, das übermäßige
Austrocknen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem
zu unterbinden, das eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung, wie
einen Kompressor, betreibt, um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas
zuzuführen, wodurch Leistung erzeugt wird.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen, umfaßt das Brennstoffzellensystem
eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung und
einen Kondensator zur Zuführung von Leistung zu verschiedenen
Vorrichtungen, wenn die Brennstoffzelle in einem zeitweiligen Zustand
mit gestoppter Leistungserzeugung ist, wobei das Leistungserzeugungssystem
derart gestaltet ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung
auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts betrieben wird,
um der Brennstoffzelle ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch
die Leistung zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem weiter
umfaßt: eine Steuervorrichtung, die beurteilt, ob der Strombefehlswert
unter einem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert
liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt der Brennstoffzelle unter
einem vorgegebenen Schwel lenwert liegt und die gespeicherte elektrische Ladung
des Kondensators gleich einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer
ist, und die den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung schaltet,
wenn eine bejahende Beurteilung erhalten wird.
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Außerdem
ist ein Steuerverfahren gemäß der vorliegende
Erfindung ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem,
das eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsgasversorgungsvorrichtung
und einen Kondensator für die Leistungsversorgung verschiedener
Vorrichtungen bei einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung
einschließt, wobei das Brennstoffzellensystem derart gestaltet
ist, daß die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung auf der Basis
eines vorgegebenen Strombefehlswerts betrieben wird, um der Brennstoffzelle
ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch Leistung zu erzeugen,
wobei das Steuerverfahren umfaßt: einen ersten Schritt zur
Beurteilung, ob der Strombefehlswert unter einem einem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt der
Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt und
die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators gleich einem
vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist; und
einen zweiten Schritt, in welchem der Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter
Leistungserzeugung geschaltet wird, wenn beim ersten Schritt eine
bejahende Beurteilung erhalten wird.
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Gemäß einer
solchen Konstruktion und Verfahrensweise kann, wenn die Brennstoffzelle
trocken ist (der Wassergehalt unter dem vorgegebenen Schwellenwert
liegt), die gespeicherte Ladung des Kondensators vergleichsweise
groß ist (der vorgegebene Schwellenwert oder höher)
und der Strombefehlswert klein ist (unter dem dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert), der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
auf den zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung geschaltet
werden. Deshalb kann, selbst wenn der Durchfluß des von
der Reaktionsgasversorgungsvorrichtung zuzuführenden Reaktionsgases
aufgrund einer mechanischen Drosselstelle nicht auf einen vorgegebenen
niedrigen Durchflußgrenzwert oder weniger eingestellt werden
kann, unter das Austrocknen der Brennstoffzelle betreffenden Bedingungen
die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung automatisch gestoppt werden
und die Zufuhr von Reaktionsgas zur Brennstoffzelle kann zeitweilig
gestoppt werden. Demzufolge kann das übermäßige
Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden werden. Es ist anzumerken,
daß „der Leistungserzeugungszustand” ein
Zustand ist, in welchem die Brennstoffzelle kontinuierlich Leistung
erzeugt, und „der zeitweilige Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung” ein
Zustand ist, in welchem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle
zeitweilig gestoppt ist.
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Im
Brennstoffzellensystem ist es möglich, die Steuervorrichtung
einzusetzen, die den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
aufrecht erhält, während der Strombefehlswert
auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden
Stromwert oder mehr eingestellt ist, in einem Falle, in dem der
Wassergehalt der Brennstoffzelle unter dem vorgegebenen Schwellenwert
liegt und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators unter
dem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
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Außerdem
kann das Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem
einen dritten Schritt umfassen, bei dem der Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzelle beibehalten wird, während der Strombefehlswert
auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden
Stromwert oder höher engestellt wird, falls der Wassergehalt
der Brennstoffzelle unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt und
die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators unter dem vorgegebenen
Schwellenwert liegt.
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In
einem Falle, in dem eine solche Konstruktion und ein solches Verfahren
eingesetzt werden und wenn die Brennstoffzelle trocken ist (der
Wassergehalt liegt unter dem vorgegebenen Schwellenwert) und die
Ladungsmenge des Kondensators klein ist (unterhalb eines vorgegebenen
Schwellenwerts), kann der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
beibehalten werden, während der Strombefehlswert auf den
dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert
oder mehr eingestellt ist. Deshalb wird das übermäßige
Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden und die Ladung des Kondensators
kann realisiert werden.
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Außerdem
kann beim Brennstoffzellensystem ein Luftkompressor zur Zufuhr des
Reaktionsgases zur Brennstoffzelle als die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung
eingesetzt werden.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann beim Brennstoffzellensystem, das eine
Reaktionsgasversorgungsvorrichtung, wie einen Luftkompressor, zur
Zufuhr des Reaktionsgases zur Brennstoffzelle betätigt,
um dadurch Leistung zu erzeugen, das übermäßige
Austrocknen der Brennstoffzelle unterbunden werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockschaltbild eines der vorliegenden Ausführungsform
entsprechenden Brennstoffzellensystems;
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2 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle
und dem von einem Kompressor erzeugten Luftdurchfluß zeigt;
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3 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Stromwert der Brennstoffzelle
und dem Wasserüberschuß in der Brennstoffzelle
zeigt, und
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems
gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Beste Weise die Erfindung
auszuführen
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Nachfolgend
wird ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Mit der vorliegenden Ausführungsform
wird ein Beispiel beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung
bei einem bordeigenen Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs
angewandt wird.
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Wie
in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ein Brennstoffzellensystem 2 ein, welches ein zugeführtes
Reaktionsgas (ein Oxidationsgas und ein Brenngas) zur Leistungserzeugung
empfängt; ein Rohrleitungssystem 3 für
das Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle 2 Luft als Oxidationsgas zuführt;
ein Rohrleitungssystem 4 für das Wasserstoffgas,
das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas als Brenngas zuführt;
ein Leistungssystem 5, das die Leistung des Systems lädt
oder entlädt, und eine Steuervorrichtung 6, die
allgemein das ganze System steuert.
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Die
Brennstoffzelle 2 wird beispielsweise durch eine Bauform
mit einem festen Polymerelektrolyt gebildet und umfaßt
eine stapelförmige Struktur, in welcher eine große
Anzahl von Einzelzellen gestapelt ist. Jede Einzelzelle der Brennstoffzelle 2 besitzt einen
Luftpol auf einer Oberfläche eines von einer Elektronenaustauschmembran
gebildeten Elektrolyten und einen Brennstoffpol auf der anderen
Oberfläche des Elektrolyten, sowie weiter ein Paar von
Separatoren, die von beiden Seiten den Elektrolyten sandwichartig
einschließen. Das Brenngas wird einem Brenngaskanal in
einem Separator zugeführt und das Oxidationsgas einem Oxidationsgaskanal
im anderen Separator, und die Brennstoffzelle 2 erzeugt eine
Leistung ausgehend von den zugeführten Gasen. An der Brennstoffzelle 2 ist
ein Wassergehaltssensor 2a zur Feststellung der Wassermenge
(der Wassergehalt) angebracht, die in den die Einzelzellen bildenden
Elektrolyten eingeschlossen ist. Die Information über den
vom Wassergehaltssensor 2a festgestellten Wassergehalt
wird in die Steuervorrichtung 6 eingegeben und für
die Steuerung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 2 benutzt.
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Das
Rohrleitungssystem 3 für das Oxidationsgas besitzt
einen Luftversorgungskanal 11, durch den der Brennstoffzelle 2 zuzuführendes
Oxidationsgas strömt, und einen Abgaskanal 12,
durch den ein aus der Brennstoffzelle 2 austretendes Oxidationsabgas
strömt. Der Luftversorgungskanal 11 ist mit einem
Luftkompressor 14 versehen, der das Oxidationsgas über
einen Filter 13 aufnimmt, und einen Befeuchter 15,
der das unter Druck durch den Luftkompressor 14 beförderte
Oxidationsgas befeuchtet. Das durch den Abgaskanal 12 strömende
Oxidationsabgas durchquert ein Rückdruckregelventil 16,
wird im Befeuchter 15 einem Wasseraustausch unterzogen, vermischt
sich in einer (nicht gezeigten) Verdünnungseinheit mit
Wasserstoffabgas, um das Wasserstoffabgas zu verdünnen
und wird schließlich als Abgas aus dem System in die Atmosphäre
entlassen. Der Luftkompressor 14 entspricht einer Ausführungsform
einer Reaktionsgasversorgungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform betätigt und
steuert die Steuervorrichtung 6 den Luftkompressor 14 auf
der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts, um den Durchfluß (Luftdurchfluß)
der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Luft zu
regeln. In diesem Falle kann, wie in 2 gezeigt,
aufgrund einer mechanischen Drosselstelle am Luftkompressor 14 der
Durchfluß der vom Luftkompressor 14 der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Luft nicht auf einen unteren Durchflußgrenzwert Qu oder weniger eingestellt werden. Wenn der
Strombefehlswert abnimmt und, wie in 3 gezeigt,
der Durchfluß der vom Luftkompressor 14 zuzuführenden
Luft den unteren Durchflußgrenzwert Qu erreicht,
wird der Wasserüberschuß in der Brennstoffzelle 2 gleich
Null oder Negativ. Deshalb schreitet das Austrocknen der Brennstoffzelle 2 voran,
wenn eine solche Leistungserzeugung mit niedrigem Strom während
längerer Zeit anhält. Es ist zu beachten, daß der
maximale Stromwert, wenn der Durchfluß der vom Luftkompressor 14 zugeführten
Luft der unteren Durchflußgrenzwert Qu ist,
ein Stromwert (der dem Wasserüberschuß Null entsprechende
Stromwert I0) ist, bei dem der Wasserüberschuß der
Brennstoffzelle 2 Null wird.
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Das
Rohrleitungssystem 4 für das Wasserstoffgas besitzt
eine Wasserstoffquelle 21; einen Wasserstoffversorgungskanal 22,
durch den das von der Wasserstoffquelle 21 der Brennstoffzelle 2 zuzuführende
Wasserstoffgas strömt; einen Kreislaufkanal 23,
durch den das aus der Brennstoffzelle 2 austretende Wasserstoffabgas
(ein Brennstoffabgas) zu einem Verbindungsstück A1 des
Wasserstoffversorgungskanals 22 zurückgeführt
wird; eine Wasserstoffpumpe 24, die das unter Druck stehende
Wasserstoffgas im Kreislaufkanal 23 dem Wasserstoffversorgungskanal 22 zuführt,
und einen Gas/Wasser-Abführkanal 25, der vom Kreislaufkanal 23 abzweigt
und mit diesem verbunden ist.
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Die
Wasserstoffquelle 21 besteht beispielsweise aus einem Hochdrucktank,
einer Wasserstoff enthaltenden Legierung oder dergleichen und kann das
Wasserstoffgas mit einem vorgegebenen Druck (z. B. 35 MPa oder 70
MPa) aufnehmen. Es ist anzumerken, daß die Wasserstoffquelle 21 von
einem Reformer gebildet werden kann, der aus einem Kraftstoff auf
Kohlenwasserstoffbasis ein wasserstoffreiches Reformgas bildet,
und aus einem Hochdruck-Gastank, der das im Reformer gebildete Reformgas
in einen Hochdruckzustand bringt, um den Druck zu speichern. Außerdem
kann der Tank mit einer Wasserstoffenthaltenden Legierung als die
Wasserstoffquelle eingesetzt werden.
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Der
Wasserstoffversorgungskanal 22 ist mit einem Absperrventil 26 versehen,
das die Versorgung mit dem Wasserstoffgas aus der Wasserstoffquelle 21 sperrt
oder zuläßt, einem Druckregler 27, der
den Druck des Wasserstoffgases regelt, und ein EIN/AUS-Ventil 28 der
elektromagnetisch betätigten Bauart, das den Druck, den
Durchfluß oder dergleichen des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Wasserstoffgases regelt. Wenn das Absperrventil 26 geöffnet
wird, strömt das Wasserstoffgas von der Wasserstoffquelle 21 zum
Wasserstoffversorgungskanal 22. Der Druck des Wasserstoffgases
wird schließlich durch den Regulator 27 oder das
EIN/AUS-Ventil 28 auf beispielsweise etwa 200 kPa gesenkt
und das Gas wird der Brennstoffzelle 2 zugeführt.
Die Betätigung des Absperrventils 26 und des EIN/AUS-Ventils 28 wird
durch die Steuervorrichtung 6 gesteuert.
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Der
Kreislaufkanal 23 ist über eine Gas/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 und
ein Gas/Wasser-Ablaßventil 31 mit dem Gas/Wasser-Abführkanal 25 verbunden.
Die Gas/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 sammelt Wasser
aus dem Wasserstoffabgas. Das Gas/Wasser-Ablaßventil 31 arbeitet
in Übereinstimmung mit einem Befehl von der Steuervorrichtung 6,
um das von der Gas/Flüssigkeits-Scheidevorrichtung 30 gesammelte
Wasser nach außen abzuführen (auszuscheiden) und
das Wasserstoffabgas (das Brennstoffabgas) einschließlich
Verunreinigungen in den Zirkulationskanal 23. Das durch
das Gas/Wasser-Ablaßventil 31 und den Gas/Wasser-Abführkanal 25 abgeleitete
Wasserstoffabgas verbindet sich mit dem Oxidationsabgas (Luft) des
Abgaskanals 12 in einer (nicht gezeigten) Verdünnungseinheit,
um verdünnt zu werden. Überdies ist der Zirkulationskanal 23 mit der
Wasserstoffpumpe 24 versehen, die das Wasserstoffabgas
in den Kreislaufkanal 23 drückt, um das Gas in
Richtung auf den Wasserstoffversorgungskanal 22 zu fördern.
Die Wasser stoffpumpe 24 wird durch einen (nicht gezeigten)
Motor angetrieben, um das Wasserstoffgas im Kreislauf zu halten
und aus einem Kreislaufsystem der Brennstoffzelle 2 zuzuführen.
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Das
Leistungssystem 5 schließt einen Hochspannungs-Gleichstromwandler 61,
eine Batterie 62, einen Antriebsumrichter 63,
einen Antriebsmotor 64, einen (nicht gezeigten) Wandler
für verschiedene Hilfsvorrichtungen und dergleichen ein.
Der Hochspannungs-Gleichstromwandler 61 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler
und besitzt eine Funktion zur Regelung der Eingangsspannung eines
Gleichstroms von der Batterie 62, um die Spannung in Richtung
auf den Antriebsumrichter 63 auszugeben, sowie eine Funktion
zur Regelung der Eingangsspannung eines Gleichstroms von der Brennstoffzelle 2 oder
dem Antriebsmotor 64 zur Ausgabe der Spannung an die Batterie 62.
Diese Funktionen des Hochspannungs-Gleichstromwandlers 61 realisieren
das Laden/Entladen der Batterie 62. Zudem steuert der Hochspannungs-Gleichstromwandler 61 die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
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Die
Batterie 62 wird durch einen (nicht gezeigten) Batteriecomputer
gesteuert, um eine Zusatzleistung zu laden und den Antriebsmotor 64 und die
Hilfsvorrichtungen mit der Leistung zu versorgen und ist bei der
vorliegenden Erfindung eine Ausführungsform eines Kondensators.
Die Batterie 62 führt eine Leistungsverstärkung
aus (versorgt die verschiedenen Vorrichtungen mit Leistung) während
einer unmittelbar erfolgenden Beschleunigung oder bei einer intermittierenden
Betriebsweise. Es ist anzumerken, daß die intermittierende
Betriebsweise eine Betriebsweise ist, bei der die Leistungserzeugung durch
die Brennstoffzelle 2 zeitweilig während eines Betriebs
mit geringer Last angehalten wird, wie beim Leerlauf, einer Fahrt
mit geringer Geschwindigkeit oder beim regenerativen Bremsen, wobei
die Leistung von der Batterie 62 einer Lastvorrichtung,
wie dem Antriebsmotor 64, zugeführt wird und das
Wasserstoffgas und Luft derart intermittierend der Brennstoffzelle 2 zugeführt
werden, daß eine Leerlaufspannung aufrecht erhalten werden
kann. Die intermittierende Betriebsweise entspricht einem Zustand
des zeitweiligen Stopps der Leistungserzeugung der vorliegenden
Erfindung. Als Batterie 62 kann beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Batterie
oder eine Lithium-Ionen-Batterie benutzt werden.
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Überdies
kann bei der vorliegenden Ausführungsform ein SOC-Sensor 62a zur
Feststellung des Ladezustands (state of charge = SOC) der Batterie 62 vorgesehen
sein. Eine Information vom SOC-Sensor 62a über
die Ladungshöhe der Batterie 62 wird in die Steuervorrichtung 6 eingegeben
und für die Steuerung der Leistungserzeugung durch das
Brennstoffzellensystem 1 benutzt.
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Der
Antriebsinverter 63 wandelt einen Gleichstrom in einen
Dreiphasen-Wechselstrom um, um den Strom dem Antriebsmotor 64 zuzuführen. Der
Antriebsmotor 64 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor
und bildet eine Hauptleistungsquelle eines Fahrzeugs, in dem das
Brennstoffzellensystem 1 eingebaut ist. Der Wandler für
die Hilfsvorrichtungen ist ein Motorsteuerungsabschnitt, der den
Betrieb eines jeden Motors steuert und den Gleichstrom in einen
Dreiphasen-Wechselstrom umwandelt, um den Strom jedem Motor zuzuführen.
Der Wandler für die Hilfsvorrichtungen ist beispielsweise von
einer Bauart für Pulsbreitenmodulation (Pulsbreitenmodulator),
der entsprechend einem Steuerbefehl von der Steuervorrichtung 6 die
Gleichstrom-Spannungsausgabe aus der Brennstoffzelle 2 oder
der Batterie 62 in die Dreiphasen-Wechselstromspannung
umwandelt und das von jedem Motor erzeugte Drehmoment steuert.
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Die
Steuervorrichtung 6 stellt das Ausmaß der Betätigung
eines im Fahrzeug vorgesehenen Beschleunigungsaktivierungselements
(ein Fahrpedal oder dergleichen) fest und empfängt eine
Steuerinformation, wie einen geforderten Beschleunigungswert (beispielsweise
das Ausmaß einer von einer Last, wie dem Antriebsmotor 64 geforderten
Leistungserzeugung) zur Steuerung der Aktion verschiedener Vorrichtungen
im System. Es ist anzumerken, daß zusätzlich zum
Antriebsmotor 64 die Lastvorrichtung allgemein eine leistungsverbrauchende
Vorrichtung bezeichnet, die für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 erforderlich
ist (beispielsweise ein Motor für den Luftkompressor 14 oder
die Wasserstoffpumpe 24 oder dergleichen), ein Betätigungselement
für verschiedene Vorrichtungen (eine Gangschaltung, eine Radsteuervorrichtung,
eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängevorrichtung, usw.) die
für den Betrieb des Fahrzeugs in Verbindung stehen, und
eine Luftaufbereitung (Klimaanlage), Licht, Audio und dergleichen für
den Insassenbereich.
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Die
Steuervorrichtung 6 wird von einem (nicht gezeigten) Computersystem
gebildet. Ein solches Computersystem umfaßt eine CPU, ein
ROM, ein RAM, ein Festplattenlaufwerk, eine Ein- und Ausgabeschnittstelle,
ein Display und dergleichen, und verschiedene, im ROM aufgezeichnete
Steuerprogramme werden durch die CPU gelesen und ausgeführt,
um verschiedene Steueraktionen auszuführen.
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Insbesondere
berechnet die Steuervorrichtung 6 den Strombefehlswert
(den Zielstromwert) der Brennstoffzelle auf der Basis eines von
einem (nicht gezeigten) Fahrpedalsensor festgestellten Ausmaßes
der Betätigung des Fahrpedals. Dann betätigt und
steuert die Steuervorrichtung 6 den Luftkompressor 14 oder
das EIN/AUS-Ventil 28 auf der Basis des berechneten Strombefehlswerts,
um den Durchfluß des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden
Reaktionsgases (die Luft als Oxidationsgas und das Wasserstoffgas
als Brenngas) zu regeln. Demzufolge erzeugt die Steuervorrichtung 6 die
Leistung gemäß dem Ausmaß der von der
Last geforderten Leistungserzeugung. Es wird deshalb eine Betriebsweise,
bei der die Brennstoffzelle 2 kontinuierlich die Leistungserzeugung
für die Leistungsversorgung der Last durchführt,
als eine normale Betriebsweise bezeichnet. Die normale Betriebsweise
entspricht dem Leistungserzeugungszustand bei der vorliegenden Erfindung.
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Überdies
hält die Steuervorrichtung 6 die normale Betriebsweise
bei, während der Strombefehlswert auf den dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert I0 (2 und 3)
oder mehr eingestellt wird in einem Falle, in dem durch Gebrauch
des Wassergehaltssensors 2a festgestellt wird, daß der
Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 unter einem vorgegebenen
Schwellenwert liegt und durch den SOC-Sensor 62a festgestellt
wird, daß die gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 unter
einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Demzufolge kann eine übermäßige
Austrockung der Brennstoffzelle 2 unterdrückt
werden.
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Andererseits
beurteilt die Steuervorrichtung 6, ob der Strombefehlswert
unter dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden
Stromwert I0 liegt oder nicht, wenn der
durch Gebrauch des Wassergehaltssensors 2a ermittelte Wassergehalt
der Brennstoffzelle 2 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt
und die durch den Gebrauch des SOC-Sensors 62a ermittelte,
gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 der vorgegebene
Schwellenwert oder größer ist. Dann schaltet die
Steuervorrichtung 6 die Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 von
der normalen Betriebsweise zur intermittierenden Betriebsweise um,
falls die Steuervorrichtung feststellt, daß der Strombefehlswert
unter dem Stromwert I0 liegt, der dem Wasserüberschuß Null
zugewiesen ist. Folglich kann die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit
Luft durch Betrieb des Luftkompressors 14 zeitweilig gestoppt
werden und deshalb kann das übermäßige Austrocknen
der Brennstoffzelle 2 unterbunden werden.
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Als
nächstes wird das Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 unter
Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 4 beschrieben.
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Bei
der normalen Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 1 wird
das Wasserstoffgas dem Brennstoffpol der Brennstoffzelle 2 von
der Wasserstoffquelle 21 über den Wasserstoffversorgungskanal 22 zugeführt
und die befeuchtete und geregelte Luft wird einem Oxidationspol
der Brennstoffzelle 2 über den Luftversorgungskanal 11 zugeführt,
wodurch die Leistung erzeugt wird. In diesem Falle wird die von
der Brennstoffzelle 2 abzugebende Leistung (das geforderte
Ausmaß der Leistungserzeugung) von der Steuervorrichtung 6 berechnet,
so daß die dem geforderten Ausmaß der Leistungserzeugung entsprechende
Menge des Wasserstoffgases und der Luft der Brennstoffzelle 2 zugeführt
wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird das übermäßige Austrocknen
der Brennstoffzelle 2 während einer solchen normalen
Betriebsweise unterbunden.
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Zunächst
beurteilt die Steuervorrichtung 6 des Brennstoffzellensystems 1,
ob der durch Anwendung des Wassergehaltssensors 2a ermittelte
Wassergehalt der Brennstoffzelle 2 unterhalb des vorgegebenen
Schwellenwerts liegt oder nicht. (ein Schritt zur Beurteilung des
Wassergehalts: S1). Falls eine bestätigende Beurteilung
erhalten wird, prüft die Steuervorrichtung, ob die durch
Gebrauch des SOC-Sensors 62a ermittelte elektrische Ladung
der Batterie 62 unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts
liegt oder nicht (Schritt zur Beurteilung der gespeicherten elektrischen
Ladung: S2). Dann erhält die Steuervorrichtung 6 die
normale Betriebsweise aufrecht, während der Strombefehlswert
auf den dem Wasserüberschuß Null entsprechenden
Stromwert I0 oder mehr eingestellt wird,
falls die Steuervorrichtung beim Schritt S2 zur Beurteilung der
gespeicherten elektrischen Ladung feststellt, daß die gespeicherte elektrische
Ladung der Batterie 62 unter dem vorgegebenen Schwellenwert
liegt (Schritt zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise:
S3).
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Andererseits,
falls die Steuervorrichtung 6 beim Schritt S2 zur Beurteilung
der gespeicherten elektrischen Ladung feststellt, daß die
gespeicherte elektrische Ladung der Batterie 62 beim vorgegebenen
Schwellenwert oder darüber liegt, prüft die Steuervorrichtung,
ob der Strombefehlswert unter dem dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert I0 liegt oder nicht
(ein Schritt zur Strombeurteilung: S4).
Dann, falls die Steuervorrichtung 6 beim Schritt S4 zur
Strombeurteilung feststellt, daß der Strombefehlswert unter
dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert
I0 liegt, schaltet die Steuervorrichtung
die Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 von der normalen
Betriebsweise auf die intermittierende Betriebsweise um (ein Schritt
zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise: S5). Andererseits,
falls die Steuervorrichtung beim Schritt S4 zur Strombeurteilung
feststellt, daß der Strombefehlswert gleich dem dem Wasserüberschuß Null entsprechenden
Stromwert I0 ist oder höher, erhält die
Steuervorrichtung die normale Betriebsweise der Brennstoffzelle 2 so
wie sie ist (ein Schritt zum Ausschalten der intermittierenden Betriebsweise.
S6).
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Es
ist anzumerken, daß der Schritt S4 zur Strombeurteilung
einem ersten Schritt der vorliegenden Erfindung entspricht und der
Schritt S5 zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise einem zweiten
Schritt der vorliegenden Erfindung. Überdies entspricht
der Schritt S3 zur Einschaltung der intermittierenden Betriebweise
einem dritten Schritt der vorliegenden Erfindung.
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Beim
Brennstoffzellensystem 1 gemäß der oben
erwähnten Ausführungsform kann, wenn die Brennstoffzelle 2 trocken
ist (der Wassergehalt liegt unter dem vorge gebenen Schwellenwert),
die Ladungsmenge der Batterie 62 vergleichsweise groß ist (gleich
dem vorgegebenen Schwellenwert oder größer) und
der Strombefehlswert klein ist (unter dem dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert I0), die Betriebsweise
der Brennstoffzelle 2 von der normalen Betriebsweise auf
die intermittierende Betriebsweise umgeschaltet werden. Deshalb
kann selbst in einem System, in welchem der Durchfluß der
Luft, die vom Luftkompressor 14 zugeführt werden
soll, wegen der mechanischen Drosselstelle nicht auf einen vorgegebenen
unteren Durchflußgrenzwert oder niedriger eingestellt werden
kann, unter Bedingungen, die die Brennstoffzelle 2 austrocknen,
der Luftkompressor 14 automatisch gestoppt werden und die
Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 2 kann zeitweilig gestoppt
werden. Demzufolge kann übermäßiges Austrocknen
der Brennstoffzelle 2 unterbunden werden.
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Überdies
kann beim Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
obigen Ausführungsform in einem Falle, in dem die Brennstoffzelle 2 trocken
ist, (der Wassergehalt liegt unter dem vorgegebenen Schwellenwert) und
die Ladungsmenge der Batterie 62 klein ist (unter dem vorgegebenen
Schwellenwert), während der Strombefehlswert auf den dem
Wasserüberschuß Null entsprechenden Stromwert
I0 oder höher eingestellt ist,
die normale Betriebsweise beibehalten werden. Deshalb kann eine übermäßige
Austrocknung der Brennstoffzelle 2 unterbunden und die
Ladung der Batterie realisiert werden.
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Es
ist anzumerken; daß mit der obigen Ausführungsform
ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem in einem Falle, in dem die
Brennstoffzelle trocken und die Ladungsmenge der Batterie gering
ist, die normale Betriebsweise beibehalten wird, während
der Strombefehlswert auf den „dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert I0 oder höher” eingestellt
ist. Jedoch kann die normale Betriebsweise beibehalten werden, während
der Strombefehlswert auf „einen Strombefehlswert beim maximalen
Leistungspunkt des Brennstoffzellensystems” eingestellt
ist: In diesem Falle kann die Austrocknung der Brennstoffzelle zuverlässiger
unterbunden werden.
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Zudem
wird bei der obigen Ausführungsform der Wassergehaltssensor
zur Feststellung des Wassergehalts der Brennstoffzelle eingesetzt,
jedoch gibt es keinerlei spe zielle Beschränkung der Konstruktion des
Wassergehaltssensors oder ein Verfahren zur Beurteilung des Schwellenwerts
des Wassergehalts. Beispielsweise kann eine Konstruktion (ein Verfahren)
angewandt werden, bei welchem ein Widerstandssensor zur Ermittlung
des Widerstandswerts (die Impedanz) der Brennstoffzelle vorgesehen
ist, und es wird festgestellt, daß der Wassergehalt der Brennstoffzelle
unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wenn der durch diesen
Widerstandssensor ermittelte Widerstandswert oberhalb eines vorgegebenen
Schwellenwerts liegt.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Wie
bei der obigen Ausführungsform beschrieben, kann ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung in ein Brennstoffzellenfahrzeug
und in verschiedenen anderen beweglichen Körpern (ein Roboter,
ein Schiff, ein Flugzeug, usw.) eingebaut werden. Außerdem
kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung bei einem stationären Leistungserzeugungssystem
zur Nutzung als Leistungserzeugungseinrichtung in Baukonstruktionen
(eine Behausung, ein Gebäude, oder dergleichen) angewandt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Brennstoffzellensystem umfaßt eine Brennstoffzelle, eine
Reaktionsgasversorgungsvorrichtung und einen Kondensator zur Zuführung
von Leistung zu verschiedenen Vorrichtungen, wenn die Brennstoffzelle
in einem zeitweiligen Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung
ist. Das Brennstoffzellensystem betreibt die Reaktionsgasversorgungsvorrichtung
auf der Basis eines vorgegebenen Strombefehlswerts, um der Brennstoffzelle
ein Reaktionsgas zuzuführen und dadurch die Leistung zu
erzeugen. Ein solches Brennstoffzellensystem umfaßt eine Steuervorrichtung,
die beurteilt, ob der Strombefehlswert unter einem dem Wasserüberschuß Null
entsprechenden Stromwert liegt oder nicht, wenn der Wassergehalt
der Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt
und die gespeicherte elektrische Ladung des Kondensators gleich
einem vorgegebenen Schwellenwert oder größer ist.
Wenn eine bejahende Beurteilung erhalten wird, schaltet die Steuervorrichtung
den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle auf den zeitweiligen
Zustand mit gestoppter Leistungserzeugung um.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2005-26054 [0003, 0005]