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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Brennstoffzellensystem erzeugt elektrische Leistung durch eine elektrochemische
Reaktion zwischen einem einer Anode zugeführten Brenngas und
einem einer Kathode zugeführten Oxidansgas. Ein von der
Anode abgegebenes Brennstoffabgas wird in einen Strömungspfad
zur Brennstoffversorgung ausgegeben, mit dem von einer Brenngasversorgungsquelle
zugeführten Brenngas gemischt und wieder der Anode zugeführt.
Bei dem im unten genannten Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellensystem
wird ein in einen Strömungspfad zur Brennstoffversorgung
ausgegebenes Brennstoffabgas unter Verwendung einer Brennstoffpumpe
und eines Ejektors in den Strömungspfad zur Brennstoffversorgung
zurückgeführt und dann mit Brenngas vermischt.
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Weil
die Brennstoffpumpe den Brennstoff unter Nutzung von Elektrizität
in Umlauf bringt, während die Brennstoffpumpe befähigt
ist, schnell auf Laständerungen anzusprechen, nimmt der
Leistungsverbrauch in einem Betriebsbereich zu, in dem der Wirkungsgrad
abnimmt. Der Ejektor kann den Brennstoff unter Nutzung der Druckenergie
des Brenngases in Umlauf bringen, jedoch ist es wegen einer Ansprechverzögerung
in der Düse für den Ejektor schwierig, auf rasche
Laständerungen anzusprechen. Angesichts solcher Verhältnisse
ist beim unten erwähnten Patentdokument 1 das Brennstoffzellensystem
sowohl mit einer Brennstoffpumpe als auch mit einem Ejektor ausgestattet,
so dass der Ejektor einen Betriebsbereich abdeckt, in welchem der
Wirkungsgrad der Brennstoffpumpe abgesenkt ist und der Leistungsverbrauch
zugenommen hat.
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Hinweis auf den Stand der
Technik
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Patentdokument
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- Patentdokument 1: Japanische offengelegte Patentanmeldung
Nr. 2003-151588A .
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende
Aufgabe
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Bei
einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffpumpe in einem
Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs und einen
Ejektor an einem stromab von der Brennstoffpumpe gelegenen Vereinigungspunkt
des Strömungspfads zur Zirkulation des Brennstoffs und
einem Strömungspfad zur Brennstoffversorgung aufweist,
sollte eine ausreichende Beachtung des Verhaltens des Ejektors stattfinden,
wenn der Drucksteigerungsanteil für das Brennstoffabgas
zwischen dem Ejektor und der Brennstoffpumpe festgelegt wird. Und
dies, weil das Verhalten des Ejektors einen Scheitelpunkt aufweist und
die Effizienz absinkt, wenn das Verhalten vom Scheitelpunkt abweicht
und der Druck des Brennstoffabgases durch den Ejektor sogar abgesenkt wird,
wenn sein Verhalten weit vom Scheitelpunkt entfernt ist. Mit anderen
Worten, ein Teil des durch die Brennstoffpumpe erhöhten
Drucks des Brennstoffabgases geht verloren, sofern die Festlegung des
Drucksteigerungsanteils nicht unter Berücksichtigung des
Wirkungsgrads des Ejektors erfolgt. Außerdem kann beispielsweise
in einer Situation mit niedrigem Wirkungsgrad des Ejektors, selbst
wenn der Drucksteigerungsanteil unter Berücksichtigung des
Wirkungsgrads des Ejektors festgelegt wurde, in einem Teil der Lastbereiche
der Druck des Brennstoffabgases sinken. Deshalb ist es, um den Druck des
Brennstoffabgases im Brennstoffzellensystem mit dem Ejektor stromab
von der Brennstoffpumpe wirkungsvoll zu erhöhen, erforderlich,
eine Ausgestaltung vorzunehmen, während das Verhalten des Ejektors
und der Drucksteigerungsanteil des Brennstoffabgases zwischen dem
Ejektor und der Brennstoffpumpe derart eingestellt wird, dass der
Druck des Bennstoffabgases davor bewahrt werden kann, durch den
Ejektor reduziert zu werden.
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Das
obige Patentdokument 1 offenbart, dass der Ejektor in einem Hochlastbereich
der Brennstoffzelle betrieben wird, während die Brennstoffpumpe
in einem Niedriglastbereich der Brennstoffzelle betrieben wird (siehe 13 im Patentdokument 1). Jedoch offenbart
das Patentdokument 1 nur die Priorität des Betriebs im
Niedriglastbereich und im Hochlastbereich. Das Patentdokument 1
sagt nichts aus über das Verhalten des Ejektors und die
Drucksteigerungsanteile von Ejektor und Brennstoffpumpe. Deshalb
wird beim Brennstoffzellensystem des Patentdokuments 1 ein Teil
des Drucks des Brennstoffabgases, der von der Brennstoffpumpe erhöht
wurde, bei gewissen Verhaltensweisen des Ejektors oder bei gewissen
Arten der Verteilung der Drucksteigerungsanteile zwischen Ejektor
und Brennstoffpumpe im Ejektor verlorengehen. Mögliche
Lösungen zur Vermeidung eines solchen Problems bestünden
beispielsweise darin, zusätzlich einen Bypass-Strömungspfad
zur Umgehung des Ejektors oder der Brennstoffpumpe vorzusehen, oder
einen zusätzlichen Strömungspfad und den Ejektor
und die Brennstoffpumpe in jeweils verschiedenen Strömungspfaden
anzuordnen. Jedoch wird das System durch das Hinzufügen
solcher Konstruktionen kompliziert.
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Um
die obigen Probleme beim Stand der Technik zu lösen, ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei Brennstoffzellensystemen,
die stromab von einer Brennstoffpumpe einen Ejektor besitzen, ein
Brennstoffzellensystem zu schaffen, das befähigt ist, mit
einer einfachen Konstruktion den Druck des Brennstoffabgases zu
erhöhen.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen, umfasst ein Brennstoffzellensystem
gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
eine mit einem Oxidansgas und einem Brenngas als Reaktansgas versorgte Brennstoffzelle,
die durch eine elektrochemische Reaktion des Reaktansgases elektrische
Leistung erzeugt; einen Strömungspfad zur Brennstoffversorgung,
der Brennstoff von einer Brennstoffquelle der Brennstoffzelle zuführt;
einen Ejektor, der im Strömungspfad zur Brennstoffversorgung
vorgesehen ist, wobei der Ejektor das von der Brennstoffquelle zugeführte
Brenngas mit von der Brennstoffzelle ausgegebenen Brennstoffabgas
vermischt und das resultierende Gas der Brennstoffzelle zuführt;
ein Druckregelventil, das im Strömungspfad zur Brennstoffversorgung
stromauf vom Ejektor vorgesehen ist, wobei das Druckregelventil
den Druck des dem Ejektor zuzuführenden Brenngases regelt;
einen Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs, der
das Brennstoffabgas über den Ejektor zum Strömungspfad
zur Brennstoffversorgung zurückführt; eine im
Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs vorgesehene
Brennstoffpumpe, die das Brennstoffabgas im Strömungspfad
zur Zirkulation des Brennstoffs unter Druck setzt und das Brennstoffabgas
zum Strömungspfad zur Brennstoffversorgung fördert;
und ein Steuermittel, das, wenn der Druck des Brennstoffabgases
im Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs durch
den Ejektor und die Brennstoffpumpe erhöht wird, den Druck
des dem Ejektor zuzuführenden Brenngases und den durch
die Brennstoffpumpe realisierten Druckanstieg des Brennstoffabgases
derart steuert, dass der Betrag des durch den Ejektor realisierten
Druckanstiegs des Brennstoffabgases 0 oder größer
ist.
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Bei
einer solchen Konstruktion können, wenn der Druck des Brennstoffabgases
durch den Ejektor und die Brennstoffpumpe in dem Brennstoffzellensystem
erhöht wird, bei dem die Brennstoffpumpe im Strömungspfad
zur Zirkulation des Brennstoffs und der Ejektor stromab von der
Brennstoffpumpe an einem Vereinigungspunkt zwischen dem Strömungspfad
zur Zirkulation des Brennstoffs und dem Strömungspfad zur
Brennstoffversorgung angeordnet ist, der Druck des dem Ejektor zuzuführenden Brenngases
und die durch die Brennstoffpumpe realisierte Drucksteigerung des
Brennstoffabgases derart gesteuert werden, dass der Betrag der durch
den Ejektor realisierten Drucksteigerung des Brennstoffabgases gleich
0 oder höher ist. Demgemäß kann ein Teil
des Drucks des Brenngases, dessen Druck durch die Brennstoffpumpe
erhöht wurde, davor bewahrt werden, im Ejektor verlorenzugehen,
und deshalb kann der Druck des Brennstoffabgases wirkungsvoll durch
den Ejektor und die Brennstoffpumpe erhöht werden. Zusätzlich
kann die Gestaltung des Systems vereinfacht werden, weil kein Bedarf
besteht, einen zusätzlichen Strömungspfad, wie
einen Bypass, vorzusehen.
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem kann das Steuermittel, wenn der Druck
des Brennstoffabgases durch den Ejektor und die Brennstoffpumpe
erhöht wird, den Druck des dem Ejektor zuzuführenden Brenngases
und die durch die Brennstoffpumpe realisierte Drucksteigerung gemäß dem
Drucksteigerungsanteil von Ejektor und Brennstoffpumpe unter Berücksichtigung
des Betrags einer geforderten Drucksteigerung des Brennstoffabgases
steuern, und der Drucksteigerungsanteil des Ejektors kann in einem
gemäß dem Betriebszustand der Brennstoffzelle
vorgegebenen Bereich eingestellt werden.
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Bei
einer solchen Konstruktion kann der Druck des Brennstoffabgases
wirkungsvoll gemäß dem Betriebszustand erhöht
werden, weil die Drucksteigerungssteuerung des Brennstoffabgases
gemäß den Drucksteigerungsanteilen von Ejektor
und Brennstoffpumpe durchgeführt werden kann, die entsprechend
dem Betriebszustand der Brennstoffzelle eingestellt wurden.
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem kann eine Untergrenze des vorgegebenen
Bereichs folgende Beziehung aufweisen: der untere Grenzwert, wenn
der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein erster Lastzustand ist < der untere Grenzwert,
wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein zweiter Lastzustand
ist < der untere
Grenzwert, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein dritter
Lastzustand ist. Auch kann beim obigen Brennstoffzellensystem die
Obergrenze des vorgegebenen Bereichs folgende Beziehung aufweisen:
der obere Grenzwert, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein
erster Lastzustand ist < der
obere Grenzwert, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein zweiter
Lastzustand ist < der
obere Grenzwert, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle ein
dritter Lastzustand ist.
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem kann der vorgegebene Bereich ein Bereich
sein, in welchem der Drucksteigerungsanteil des Ejektors 50% oder
geringer ist, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle der erste
Lastzustand ist, der vorgegebene Bereich kann ein Bereich sein,
in welchem der Drucksteigerungsanteil des Ejektors zwischen 20 und
75% liegt, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle der zweite
Lastzustand ist, der eine größere Last aufweist
als der erste Lastzustand, und der vorgegebene Bereich kann ein
Bereich sein, in welchem der Drucksteigerungsanteil des Ejektors
40% oder mehr ist, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle
der dritte Lastzustand ist, der eine größere Last aufweist
als der zweite Lastzustand.
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Bei
einer solchen Konstruktion wird der Ejektor auf einem unterdrückten
Niveau betrieben, um die durch die Brennstoffpumpe im Niedriglastbereich
der Brennstoffzelle realisierte Druckerhöhung nicht zu behindern,
während die Nutzung des Ejektors verbessert wird, so dass
die Brennstoffpumpe im Hochlastbereich der Brennstoffzelle unterstützt
wird.
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem kann der erste Lastzustand ein Lastzustand
sein, bei dem der von der Brennstoffzelle angeforderte Betrag der Leistungserzeugung
50% oder weniger des Betrags der zulässigen Leistungserzeugung
der Brennstoffzelle ist, der zweite Lastzustand kann ein Lastzustand
sein, bei dem der von der Brennstoffzelle angeforderte Betrag der
Leistungserzeugung zwischen 30 und 80% des Betrags der zulässigen
Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ist; und der dritte Lastzustand
kann ein Lastzustand sein, bei dem der von der Brennstoffzelle angeforderte
Betrag der Leistungserzeugung 60% oder mehr des Betrags der zulässigen Leistungserzeugung
der Brennstoffzelle ist.
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Beim
obigen Brennstoffzellensystem kann der Ejektor ein Ejektor mit konstantem
Düsendurchmesser sein, so dass die Konstruktion des Systems vereinfacht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht es bei einem Brennstoffzellensystem
mit einem stromab der Brennstoffpumpe positionierten Ejektor, mit
einer einfachen Konstruktion den Druck des Brennstoffabgases wirkungsvoll
zu erhöhen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
ein Schaltbild, das schematisch eine Ausführungsform eines
Brennstoffzellensystems zeigt.
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2 ist
ein Diagram, das die Beziehung zwischen der Last einer Brennstoffzelle
und dem Betrag eines erforderlichen Druckanstiegs eines Wasserstoffabgases
zeigt.
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3 ist
ein Diagram, das die Beziehung zwischen der Last einer Brennstoffzelle
und dem Betrag eines erforderlichen Druckanstiegs eines Wasserstoffabgases
zeigt.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Bevorzugte
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Jede Ausführungsform wird
als Beispiel beschrieben, bei dem das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem als bordeigenes Leistungserzeugungssystem
für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) benutzt
wird.
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Zunächst
wird die Gestaltung des Brennstoffzellensystems einer Ausführungsform
beschrieben. Die 1 ist ein Schaltbild, das schematisch
das Brennstoffzellensystem zeigt.
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Wie
in 1 gezeigt, schließt das Brennstoffzellensystem
eine Brennstoffzelle 2 ein, die mit einem Oxidansgas und
einem Reaktansgas versorgt wird und durch eine elektrochemische
Reaktion elektrische Leistung erzeugt, ein Rohrleitungssystem 3 für
das Oxidansgas, das der Brennstoffzelle 2 Luft als Oxidansgas
zuführt, ein Rohrleitungssystem 4 für das
Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas
als Brenngas zuführt, und eine Steuereinheit 5,
die zentral das ganze System steuert.
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Die
Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle
und besitzt eine Stapelstruktur, in der eine Anzahl von Zelleneinheiten gestapelt
sind. Die Zelleneinheiten besitzen jeweils eine Kathode auf einer
Oberfläche eines von einer Ionenaustauschmembran gebildeten
Elektrolyten und eine Anode auf dessen anderer Oberfläche.
Die Zelleneinheit umfasst zudem ein Paar von Separatoren, die sandwichartig
die Anode und die Kathode zwischen sich einschließen. Bei
dieser Gestaltung wird das Wasserstoffgas einem Strömungspfad
für das Wasserstoffgas in einem Separator zugeführt,
während das Oxidansgas einem Strömungspfad für
das Oxidansgas im anderen Separator zugeführt wird, und
diese Reaktansgase reagieren chemisch mit einander, um elektrische
Energie zu erzeugen.
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Das
Rohrleitungssystem 3 für das Oxidansgas schließt
einen Kompressor 30 ein, der das Oxidansgas aus der Atmosphäre
aufnimmt, es verdichtet und das verdichtete Gas ausgibt, einen Strömungspfad 31 zur
Zuführung des Oxidansgases zur Brennstoffzelle 2 und
einen Strömungspfad 32 zur Ableitung des von der
Brennstoffzelle 2 ausgegebenen Abgases. Der Strömungspfad 31 für
die Luftversorgung und der Strömungspfad 32 für
die Abluft sind mit einem Befeuchter 33 zur Befeuchtung
der vom Kompressor 30 ausgegebenen, verdichteten Luft versehen,
wobei das von der Brennstoffzelle 2 ausgegebene Oxidansabgas
benutzt wird. Nachdem es dem Feuchtigkeitsaustausch im Befeuchter 33 ausgesetzt
war, wird das Oxidansabgas schließlich als Abgas an die
Atmosphäre außerhalb des Systems ausgegeben.
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Das
Rohrleitungssystem 4 für das Wasserstoffgas schließt
einen Wasserstofftank (Brennstoffquelle) 40 ein, der ein
Hochdruck-Wasserstoffgas vorrätig hält, einen
Strömungspfad 41 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit
dem Wasserstoffgas im Wasserstofftank 40 (Strömungspfad
zur Brennstoffversorgung) und einen Strömungspfad 42 zur Zirkulation
des Wasserstoffs (Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs)
zur Rückführung eines von der Brennstoffzelle 2 ausgegebenen
Wasserstoffabgases an den Strömungspfad 41 zur
Versorgung der Brennstoffzelle. Der Strömungspfad 41 zur
Versorgung der Brennstoffzelle ist stromab aufeinanderfolgend mit
einem Regler 43 zur Regelung des Drucks des Wasserstoffgases,
um einen Sekundärdruck einzustellen, einem Druckregelventil 44 zur
Regelung der Versorgungsmenge des Wasserstoffgases (Druck des Wasserstoffgases)
und einem Ejektor 45 zur Rückführung
des Wasserstoffabgases im Strömungspfad 42 zur
Zirkulation des Wasserstoffs in den Strömungspfad 41 zur
Versorgung der Brennstoffzelle versehen.
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Der
Ejektor 45 vereinigt das aus dem Wasserstofftank 40 zugeführte
Wasserstoffgas mit dem aus der Brennstoffzelle 2 abgegebenen
Wasserstoffabgas und führt das gemischte Gas nach der Vereinigung
der Brennstoffzelle 2 zu. Der Ejektor 45 ist bei dieser
Ausführungsform ein Ejektor mit einem konstanten Düsendurchmesser.
Im Ejektor 45 stößt eine an einer Eingangsöffnung
vorgesehene Düse das vom Wasserstofftank zugeführte
Wasserstoffgas in Richtung auf einen Diffusor aus, wodurch im Diffusor ein
Unterdruck entsteht. Unter Nutzung dieses Unterdrucks wird das Wasserstoffabgas über
eine Ansaugöffnung in den Diffusor angesaugt, wo das angesaugte
Wasserstoffabgas und das über die Düse eingeblasene
Wasserstoffgas vermischt und dann über eine Ausgangsöffnung
ausgegeben werden.
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Im
Strömungspfad 41 zur Versorgung der Brennstoffzelle
sind Druckfühler P1 und P2 zur Feststellung des Drucks
des Wasserstoffgases auf der Seite der Eingangsöffnung
bzw. der Ausgangsöffnung des Ejektors 45 vorgesehen.
Der Druckfühler P1 stellt den Druck des Wasserstoffgases
im Strömungspfad 41 zur Versorgung der Brennstoffzelle zwischen
dem Druckregelventil 44 und dem Ejektor 45 fest.
Der Druckfühler P2 stellt den Druck des Wasserstoffgases
im Strömungspfad 41 zur Versorgung der Brennstoffzelle
zwischen dem Ejektor 45 und der Brennstoffzelle 2 fest.
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Der
Strömungspfad 42 zur Zirkulation des Wasserstoffs
ist mit einer Wasserstoffpumpe (Brennstoffpumpe) 46 versehen,
die das Wasserstoffabgas im Strömungspfad 42 zur
Zirkulation des Wasserstoffs unter Druck setzt, um das Wasserstoffabgas
in Richtung auf den Strömungspfad 41 zur Versorgung der
Brennstoffzelle zu befördern. Der Strömungspfad 42 zur
Zirkulation des Wasserstoffs ist über einen Flüssigkeitsabscheider 47 mit
einem Ableitungsströmungspfad 48 verbunden. Der
Flüssigkeitsabscheider 47 sammelt Feuchtigkeit
aus dem Sauerstoffabgas. Der Ableitungsströmungspfad 48 ist
mit einem Gas- und Wasserablaßventil 49 versehen.
Um im Flüssigkeitsabscheider 47 gesammelte Feuchtigkeit und
das Verunreinigungen enthaltende Wasserstoffabgas im Strömungspfad 42 zur
Zirkulation des Wasserstoffs abzuleiten, wird das Gas- und Wasserablaßventil 49 üblicherweise
entsprechend einem Befehl aus der Steuereinheit 5 geschlossen
und geöffnet.
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Die
Steuereinheit 5 stellt das Ausmaß der Betätigung
eines Beschleunigungselements (z. B. eines Fahrpedals) fest, das
in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug vorgesehen ist und steuert
Aktionen verschiedener Einrichtungen im System auf Anforderung durch
Steuerinformationen, wie einen gewünschten Beschleunigungswert
(beispielsweise das Ausmaß einer Leistungserzeugung, die
von einer leistungsverbrauchenden Einrichtung, wie ein Fahrmotor,
angefordert wird). Es ist anzumerken, dass Beispiele für
die leistungsverbrauchende Einrichtung, zusätzlich zum
Fahrmotor für die Brennstoffzelle 2 erforderliche
Hilfsvorrichtungen umfassen (beispielsweise Motoren für
den Kompressor 30 und die Wasserstoffpumpe 46),
in verschiedenen Einrichtungen für die Bewegung des Fahrzeugs
benutzte Betätigungsvorrichtungen (beispielsweise ein Gangwechselgetriebe,
eine Radsteuerung ein Lenkgetriebe und eine Aufhängung)
und eine Luftklimatisierungseinrichtung (Klimaanlage), eine Beleuchtungsanlage
und ein Audiosystem im Fahrgastraum.
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Die
Steuereinheit (Steuermittel) 5 steuert den Druck des dem
Ejektor 45 zugeführten Wasserstoffgases und die
durch die Wasserstoffpumpe 46 realisierte Drucksteigerung
des Wasserstoffabgases derart, dass der Betrag der durch die Wasserstoffpumpe 46 realisierten
Drucksteigerung des Wasserstoffabgases gleich 0 oder größer
wird, wenn der Druck des Wasserstoffabgases im Strömungspfad 42 zur
Zirkulation des Wasserstoffs durch den Ejektor 45 und die
Wasserstoffpumpe 46 erhöht wird (nachfolgend als
Drucksteigerungssteuerung für das Wasserstoffabgas bezeichnet).
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Insbesondere
wenn die Drucksteigerungssteuerung für das Wasserstoffabgas
durchgeführt wird, steuert die Steuereinheit 5 den
Druck des dem Ejektor 45 zuzuführenden Wasserstoffgases
und die durch die Wasserstoffpumpe realisierte Drucksteigerung des
Wasserstoffabgases entsprechend dem zwischen dem Ejektor 45 und
der Wasserstoffpumpe 46 unter Berücksichtigung
des Betrags einer angeforderten Drucksteigerung eines vom Brennstoffzellensystem
angeforderten Wasserstoffabgases. Der Drucksteigerungsanteil ist
derart eingestellt, dass er innerhalb eines vorgegebenen Bereichs
liegt, der entsprechend den Lasten der Brennstoffzelle 2 eingestellt
wurde. Der vorgegebene Bereich bezieht sich auf den Bereich des
Drucksteigerungsanteils, der sicherstellen kann, dass in allen Lastbereichen der
Brennstoffzelle der Betrag der durch den Ejektor 45 realisierten
Drucksteigerung des Wasserstoffabgases gleich 0 oder größer
ist. Der vorgegebene Bereich kann wie folgt eingestellt werden.
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Wenn
die Last auf der Brennstoffzelle 2 niedrig ist (erster
Lastzustand), entspricht der vorgegebene Bereich einem Bereich,
in welchem der Drucksteigerungsanteil des Ejektors 45 zwischen
0 und 50% liegt, mit anderen Worten, der Drucksteigerungsanteil der
Wasserstoffpumpe 46 liegt zwischen 50 und 100%. Wenn die
Last im mittleren Bereich liegt (zweiter Lastzustand), entspricht
der vorgegebene Bereich einem Bereich, in welchem der Drucksteigerungsanteil
des Ejektors 45 zwischen 20 und 75% liegt, mit anderen
Worten, der Drucksteigerungsanteil der Wasserstoffpumpe 46 liegt
zwischen 25 und 80%. Wenn die Last hoch ist (dritter Lastzustand),
entspricht der vorgegebene Bereich einem Bereich, in welchem der
Drucksteigerungsanteil des Ejektors 45 zwischen 40 und
100% liegt, mit anderen Worten, der Drucksteigerungsanteil der Wasserstoffpumpe 46 liegt
zwischen 0 und 60%.
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Durch
Einstellung des durch den Ejektor 45 und die Wasserstoffpumpe 46 verteilten
Drucksteigerungsanteils derart, dass er innerhalb der oben definierten
Lastbereiche der Brennstoffzelle 2 liegt, kann der Ejektor 45 auf
einem unterdrückten Niveau derart betrieben werden, dass
er die Drucksteigerung durch die Wasserstoffpumpe 46 im
Niedriglastbereich nicht behindert, während die Anwendung
des Ejektors 45 so verbessert werden kann, dass die Wasserstoffpumpe 46 im
Hochlastbereich unterstützt wird.
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Ein
solches Merkmal wird durch das Diagramm in 2 ausgedrückt,
das die Beziehung zwischen der Last auf der Brennstoffzelle und
dem Betrag einer vom Brennstoffzellensystem geforderten Drucksteigerung
des Wasserstoffabgases zeigt. Die durchgehende Linie Gp zeigt die
Veränderung des Betrags der vom Brennstoffzellensystem
entsprechend den Lasten geforderten Drucksteigerung des Wasserstoffabgases.
Die schraffierten Bereiche entsprechen den oben erwähnten
vorbestimmten Bereichen.
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Die
gestrichelte Linie Gb zeigt ein Beispiel eines Drucksteigerungsanteils.
Bei diesem Beispiel zeigt der Bereich unterhalb der gestrichelten
Linie Gb in dem von der durchgehenden Linie Gp und der horizontalen
Achse begrenzten Bereich einen Bereich, der die auf den Ejektor 45 zurückzuführende
Drucksteigerung zeigt, während der Bereich oberhalb der gestrichelten
Linie Gb in dem von der durchgehenden Linie Gp und der horizontalen
Achse begrenzten Bereich die auf die Wasserstoffpumpe 46 zurückzuführende
Drucksteigerung zeigt.
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Dabei
können einige Ejektoren 45 aufgrund ihrer Wirkungsweise
den Drucksteigerungsanteil Gb nicht innerhalb des vorgegebenen Bereichs
Ge realisieren. Das ist der Fall, weil die Wirkungsweise eines Ejektors
beispielsweise vom Durchmesser der Düse und des Diffusors
ebenso abhängt wie von der Länge des Diffusors,
und weil einige Ejektoren aufgrund solcher physikalischer Faktoren
nicht befähigt sein können, den Druck entsprechend
dem eingestellten Drucksteigerungsanteil zu erhöhen. In
einer solchen Situation müssen die Durchmesser der Düse
und des Diffusors und die Länge des Diffusors derart eingestellt
werden können, dass der Ejektor 45 den Druck entsprechend
dem Drucksteigerungsanteil erhöhen kann.
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Jedoch
ist der Bereich begrenzt, in dem der Ejektor wirkungsvoll agieren
kann, selbst wenn der Ejektor 45 einjustiert wird, und
deshalb ist es schwierig zu erreichen, dass der Ejektor 45 alle
Lastbereiche der Brennstoffzelle wirkungsvoll abdeckt. Beispielsweise
kann, wie in 3 gezeigt, wenn der Gipfelpunkt
des Ejektors 45 derart eingestellt wird, dass er auf der
Seite des Niedriglastbereichs liegt, der Druck des Wasserstoffabgases
durch den Ejektor 45 im Hochlastbereich reduziert werden.
In ähnlicher Weise kann, wenn der Gipfelpunkt des Ejektors 45 auf
die Seite des Hochlastbereichs eingestellt wird, der Druck des Wasserstoffabgases
durch den Ejektor 45 in den Niedriglastbereich reduziert
werden. In solchen Situationen muss die Wasserstoffpumpe 46 allein
den Druck erhöhen, was einschließt, dass der Druck
durch den Ejektor 45 reduziert wurde (der in 3 gezeigte
Teil Pa), und deshalb muss eine große elektrische Leistung
verbraucht werden, was den Wirkungsgrad absenkt.
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Angesichts
der obigen Umstände haben die Erfinder der vorliegenden
Anmeldung ihr Augenmerk auf die Tatsache gerichtet, dass, falls
der Druck des dem Ejektor zuzuführenden Wasserstoffgases
erhöht werden kann, die durch den Ejektor realisierte Drucksteigerung
selbst in dem Bereich verbessert werden kann, in dem die Effizienz
des Ejektors abgesenkt ist, und haben viele Versuche durchgeführt.
Als Ergebnis haben die Erfinder herausgefunden, dass durch die Steuerung
des Drucks des dem Ejektor 45zuzuführenden Wasserstoffgases
und die durch die Wasserstoffpumpe 46 realisierte Drucksteigerung
des Wasserstoffabgases derart, dass der Drucksteigerungsanteil Gb
innerhalb des oben beschriebenen, vorgegebenen Bereichs Ge in 2 liegt,
der Druck des Wasserstoffabgases davor bewahrt werden kann, durch
den Ejektor 45 reduziert zu werden.
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Mit
anderen Worten, die Erfinder haben herausgefunden, dass der Betrag
der durch den Ejektor 45 realisierten Drucksteigerung des
Wasserstoffabgases bei 0 oder höher gehalten werden kann,
indem geeignete Einstellungen bei der Wirkungsweise des Ejektors 45 vorgenommen
werden, und dass dann der Drucksteigerungsanteil Gb zwischen dem
Ejektor 45 und der Wasserstoffpumpe 46 innerhalb
des vorgegebenen Bereichs Ge eingestellt wird und die Drucksteigerungssteuerung
für das Wasserstoffabgas gemäß dem Drucksteigerungsanteil
Gb ausgeführt wird.
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Es
ist zu beachten, daß, wie in 2 gezeigt,
die Untergrenze eines jeden vorgegebenen Bereichs Ge, der gemäß den
Lasten auf der Brennstoffzelle 2 eingestellt ist, folgendes
Verhältnis aufweist: „Untergrenze während
der niedrigen Last < Untergrenze
während der mittleren Last < Untergrenze während der hohen
Last”. Auch weist die Obergrenze eines jeden vorgegebenen
Bereichs Ge, der gemäß den Lasten auf der Brennstoffzelle 2 eingestellt
ist, folgendes Verhältnis auf: „Obergrenze während
der niedrigen Last < Obergrenze
während der mittleren Last < Obergrenze während der hohen Last”.
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Die
oben erwähnten Lasten auf der Brennstoffzelle 2 können
wie folgt auf der Basis der beispielsweise von der Brennstoffzelle 2 geforderten Leistungserzeugung
klassifiziert werden: falls der Betrag der von der Brennstoffzelle
angeforderten Leistungserzeugung 50% oder weniger des zulässigen
Betrags der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle ist, ist die
Last der niedrigen Last zuzuordnen; falls der Betrag der von der
Brennstoffzelle angeforderten Leistungserzeugung im Bereich zwischen
30 und 80% des zulässigen Betrags der Leistungserzeugung
der Brennstoffzelle 2 ist, ist die Last der mittleren Last
zuzuordnen; und falls der Betrag der von der Brennstoffzelle angeforderten
Leistungserzeugung im Bereich zwischen 60% oder mehr des zulässigen
Betrags der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 2 ist,
ist die Last der hohen Last zuzuordnen.
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Die
Steuereinheit 5 schließt physikalisch beispielsweise
eine CPU, ein ROM, das ein Programm und von der CPU verarbeitete
Steuerungsdaten speichert, ein RAM, das vorwiegend in Form verschiedener
Arbeitsbereiche für die Durchführung der Steuerung
benutzt wird, sowie eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle ein. Diese
Elemente sind mit einander über einen Bus verbunden. Die
Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle ist sowohl mit verschiedenen Fühlern,
wie den Druckfühlern P1 und P2, verbunden, wie auch mit
verschiedenen Antriebsvorrichtungen zum Antrieb des Kompressors 30,
des Druckregelventils 44, der Wasserstoffpumpe 46 und
des Gas- und Wasserablaßventils 49.
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Die
CPU steuert beispielsweise die Drucksteigerungssteuerung für
das Wasserstoffabgas durch Empfang der Ermittlungsergebnisse von
verschiedenen Fühlern über die Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle
und Verarbeitung der empfangenen Ermittlungsergebnisse unter Verwendung
verschiedener Datenteile usw. im RAM basierend auf dem im ROM gespeicherten
Programm. Außerdem steuert die CPU das gesamte Brennstoffzellensystem 1 durch
Ausgabe von Steuerungssignalen an die verschiedenen Antriebs- bzw.
Betätigungsvorrichtungen über die Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle.
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Wie
oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden
Ausführungsform im Brennstoffzellensystem 1, das
im Strömungspfad 42 zur Zirkulation des Wasserstoffs
die Wasserstoffpumpe 46 aufweist und stromab von der Wasserstoffpumpe 46 zwischen dem
Strömungspfad 42 zur Zirkulation des Wasserstoffs
und dem Strömungspfad 41 zur Wasserstoffversorgung
am Vereinigungspunkt den Ejektor 45, die Drucksteigerung
des Wasserstoffabgases gemäß einem vorgegebenen
Drucksteigerungsanteil gesteuert werden, wenn der Druck des Wasserstoffabgases durch
den Ejektor 45 erhöht wird. Durch eine solche Gestaltung
kann der Druck des dem Ejektor 45 zuzuführenden
Wasserstoffgases und der durch die Wasserstoffpumpe 46 realisierte
Druckanstieg des Wasserstoffabgases derart gesteuert werden, daß der Betrag
des durch den Ejektor 45 realisierten Druckanstiegs 0 oder
höher ist.
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Demgemäß kann,
weil der Druck des Wasserstoffabgases daran gehindert werden kann,
durch den Ejektor 45 reduziert zu werden, ein Teil des Drucks
des Wasserstoffabgases, der durch die Wasserstoffpumpe 46 erhöht
wurde, nicht im Ejektor 45 verloren gehen und deshalb kann
der Druck des Wasserstoffabgases wirkungsvoll durch den Ejektor und
die Wasserstoffpumpe 46 erhöht werden.
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Weil
kein Bedarf besteht, einen zusätzlichen Strömungspfad,
wie einen Bypass, vorzusehen, kann die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 1 vereinfacht
werden.
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Obwohl
bei der obigen Ausführungsform die Lasten der Brennstoffzelle
gemäß dem Betrag der von der Brennstoffzelle angeforderten
Leistung klassifiziert werden, ist zu beachten, daß der
zur Klassifizierung der Lasten benutzte Faktor nicht auf den Betrag
der angeforderten Leistungserzeugung beschränkt ist. Beispielsweise
könnten die Lasten der Brennstoffzelle gemäß dem
Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, der Menge des Reaktionsgases
usw. klassifiziert werden.
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Obwohl
die obige Ausführungsform unter Verwendung eines Ejektors
mit konstantem Düsendurchmesser beschrieben wurde, ist
der Ejektor nicht auf einen solchen mit konstanten Düsendurchmesser beschränkt.
Beispielsweise kann ein Ejektor benutzt werden, dessen Düsenöffnung
entsprechend der Position einer Nadel veränderbar ist.
Jedoch gestattet der Gebrauch eines Ejektors mit konstantem Düsendurchmesser
eine einfachere Gestaltung des Systems.
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Obwohl
die obige Ausführungsform auf der Basis einer Situation
beschrieben wurde, bei der das Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung in ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug eingebaut
ist, kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
zusätzlich zum Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug auch bei
verschiedenen anderen beweglichen Objekten angewandt werden (Roboter,
Schiffe, Flugzeuge, usw,). Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem kann auch bei stationären Leistungsversorgungssystemen
verwendet werden, die als Leistungserzeugungseinrichtung für
Bauwerke (Häuser, Gebäude, usw.) benutzt werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist bei Brennstoffzellensystemen mit einem stromab von
einer Brennstoffpumpe angeordneten Ejektor geeignet zur wirkungsvollen
Steigerung des Drucks des Brennstoffabgases mit einer einfachen
Konstruktion.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Rohrleitungssystem
für das Oxidansgas
- 4
- Rohrleitungssystem
für das Wasserstoffgas
- 5
- Steuereinheit
- 40
- Wasserstofftank
- 41
- Strömungspfad
zur Versorgung der Brennstoffzelle
- 42
- Strömungspfad
zur Zirkulation des Wasserstoffs
- 44
- Druckregelventil
- 46
- Wasserstoffpumpe
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Zusammenfassung
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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Bei
einem Brennstoffzellensystem, das einen stromab von einer Wasserstoffpumpe
angeordneten Ejektor aufweist, wird der Druck eines Wasserstoffabgases
wirkungsvoll durch eine einfache Gestaltung erhöht. Das
Brennstoffzellensystem umfaßt einen Ejektor (45),
der ein von einem Wasserstofftank (40) einer Brennstoffzelle
(2) zuzuführendes Wasserstoffgas mit einem von
der Brennstoffzelle ausgegebenen Wasserstoffabgas mischt und die
resultierenden Gase der Brennstoffzelle zuführt; eine Wasserstoffpumpe
(46), die das Wasserstoffabgas in einem Strömungspfad
(42) zur Zirkulation des Brennstoffs unter Druck setzt
und das Wasserstoffabgas in Richtung auf einen Strömungspfad
(41) zur Brennstoffversorgung fördert; und eine
Steuereinheit (5), die, wenn der Druck des Brennstoffabgases
im Strömungspfad zur Zirkulation des Brennstoffs durch
den Ejektor und die Brennstoffpumpe erhöht wird, den Druck
des dem Ejektor zuzuführenden Brenngases und den durch
die Brennstoffpumpe realisierten Druckanstieg des Brennstoffabgases
derart steuert, daß der Betrag des durch den Ejektor realisierten Druckanstiegs
des Brennstoffabgases 0 oder größer ist, wobei
der Drucksteigerungsanteil des Ejektors an der Erhöhung
des Drucks des Wasserstoffabgases so gestaltet ist, daß er
innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt, der entsprechend dem
Belastungszustand der Brennstoffzelle festgelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-151588
A [0003]
