DE112010005623T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Vorgesehen ist ein Brennstoffzellensystem, welches mit einer Brennstoffzelle 22, einer Druck-Steuerungseinheit 62 und einem Abgasventil 50 ausgestattet ist. Die Druck-Steuerungseinheit 62 ist bei dem Brenngas-Strömungspfad 60 vorgesehen, in welchem das Brenngas strömt, das der Brennstoffzelle 22 zugeführt werden soll, und diese ist in der Lage, den Druck des Brenngases zu steuern, welches der Brennstoffzelle 22 zugeführt werden soll. Das Abgasventil 50 ist bei dem Brenn-Abgas-Strömungspfad 63; 63m und 63r vorgesehen, in welchem das Brenn-Abgas strömt, das von der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird, und wenn das Ventil geöffnet ist, kann wenigstens ein Teil des Brenn-Abgases nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abgegeben werden. Die Druck-Steuerungseinheit 62 wird derart gesteuert, dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle 22 zugeführt werden soll, vor dem Öffnen des Abgasventils 50 unter den Wert gesenkt wird, welchen dieses bis zu diesem Zeitpunkt aufgewiesen hat. Anschließend wird das Abgasventil 50 geöffnet, wenn der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle 22 zugeführt werden soll, der abgesenkte erste Druck ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Betrieb einer Brennstoffzelle.
  • Stand der Technik
  • Herkömmlich sind mit Brennstoffzellensystemen Systeme vorgesehen, welche Wasserstoffgas als das Brenngas zirkulieren bzw. umwälzen und das Abgeben eines Teils des Abgases nach außerhalb des Zirkulations-Systems ausführen, einen sogenannten „Spül-Vorgang”, da die Verunreinigungen innerhalb des Brenngases ansteigen. Außerdem wird beispielsweise mit der Technologie von Patentdokument 1, wenn nach dem Zeitpunkt, wenn das Abgas- und Ableitungsventil offen ist (Ein), ermittelt wird, dass ein Spül-Vorgang ausgeführt worden ist, das Einspritzen von Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle duch den Injektor gestoppt und die Wasserstoffpumpe wird gestoppt, so dass die Zirkulation von Wasserstoffgas von dem Zirkulations-Strömungspfad zu dem Wasserstoff-Zuführ-Strömungspfad gestoppt ist. Indessen dauert die normale Steuerung des Injektors an, wenn ermittelt wird, dass ein Spül-Vorgang nicht betrieben worden ist. Es werden insbesondere die Injektor-Gas-Einspritzzeit und die Gas-Einspritz-Steuerzeit gesteuert, welche das Strömungsvolumen und den Druck des Wasserstoffgases regulieren, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Von der Erfindung zu lösendes Problem
  • Bei dem vorstehend angegebenen Stand der Technik findet jedoch keine Berücksichtigung von Wasserstoffgas statt, welches eine Membranelektrodenanordnung (MEA) von der Anode (Wasserstoffelektrode, negative Elektrode) zu der Kathode (Sauerstoffelektrode, positive Elektrode) durchläuft bzw. diese passiert, sogenannte „Kreuzungs-Leckage” bzw. „Quer-Leckage” (cross-leck). Es findet ebenso keine Berücksichtigung bezüglich der Beziehung der Öffnungs- und Schließkraft des Abgas- und Ableitungsventils zum Abgeben von Brenngas von dem Brenngas-Zirkulations-System, welches einen hohen Betrag von Verunreinigungen enthält, und des Druckes von dem Brenngas-Zirkulations-System statt.
  • Wenn der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems hoch eingestellt ist, liegt ein größeres Volumen von Wasserstoffgas vor, welches von der Anode (Wasserstoffelektrode, negative Elektrode) zu der Kathode (Sauerstoffelektrode, positive Elektrode) durch die Membranelektrodenanordnung (MEA) läuft bzw. diese passiert. Daher ist es aus Sicht der Reduktion von Kreuzungs-Leckagen vorzuziehen, den Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems niedrig einzustellen. Wenn der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems niedrig eingestellt ist, ist der Durchmesser des Abgas- und Ableitungsventils groß einzustellen. Dies liegt daran, da es so möglich ist, bei einem Zustand, wenn die Druckdifferenz zu der Umgebung klein ist, innerhalb einer eingestellten Zeit einen geeigneten Betrag von Gas nach außerhalb des Brenngas-Zirkulations-Systems abzugeben.
  • Dabei wird der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems dynamisch gesteuert. Außerdem wird für bestimmte Zwecke der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems vorübergehend auf einen niedrigen Wert gesteuert. Die Antriebsvorrichtung, welche das Abgas- und Ableitungsventil antreibt, muss das Abgas- und Ableitungsventil derart öffnen und schließen, um selbst mit einer derartig geringen Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Systems ein geeignetes Strömungsvolumen sicherzustellen. Entsprechend muss die Antriebsvorrichtung, welche das Abgas- und Ableitungsventil antreibt, eine große Einheit sein, welche in der Lage ist, eine große Kraft zu erzeugen, wenn der Durchmesser des Abgas- und Ableitungsventils groß einzustellen ist, um in der Lage zu sein, das Ventil selbst dann geeignet zu öffnen und zu schließen, wenn eine Druckdifferenz innerhalb oder außerhalb des Systems auftritt, welche das Ventil in Richtung der Ventil-Schließ-Richtung drückt. Folglich muss das Brennstoffzellensystem selbst groß sein. Dieses Problem ist nicht nur auf Fahrzeuge beschränkt, bei welchen Brennstoffzellen eingebaut sind, sondern existiert allgemein für Brennstoffzellensysteme, für welche eine kleinere Größe und geringeres Gewicht gewünscht sind.
  • Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um zumindest einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu berücksichtigen und Aufgabe ist es, das Brennstoffzellensystem kompakter zu gestalten, während Kreuzungs-Leckagen bei dem Brennstoffzellensystem reduziert werden.
  • [Mittel zum Lösen des Problems]
  • Die vorliegende Erfindung kann in Form der nachfolgenden Arten und Weisen oder Anwendungsbeispiele realisiert werden, um wenigstens einen Teil der vorstehend beschriebenen Probleme zu berücksichtigen.
  • [Aspekt 1]
  • Ein Brennstoffzellensystem, aufweisend:
    eine Brennstoffzelle,
    eine Druck-Steuerungseinheit, welche bei einem Brenngas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem ein Brenngas strömt, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, wobei die Druck-Steuerungseinheit in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu steuern, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll,
    ein Abgas- bzw. Abgabeventil, welches bei einem Brenn-Abgas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brenn-Abgas strömt, wobei das Abgas- bzw. Abgabeventil in der Lage ist, zumindest einen Teil des Brenn-Abgases nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abzugeben, wenn das Abgas- bzw. Abgabeventil geöffnet ist, und
    eine Steuerungseinheit, welche das Brennstoff-System steuert, wobei die Steuerungseinheit
    das Abgas- bzw. Abgabeventil öffnet, wenn der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein erster Druck ist, und
    die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zumindest für eine bestimmte Zeitphase nachdem das Abgas- bzw. Abgabeventil geöffnet ist, ein zweiter Druck ist, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist.
  • Gemäß des vorstehenden Aspekts öffnet das Abgas- bzw. Abgabeventil bei dem ersten Druck, welcher niedriger als der zweite Druck ist. Infolgedessen ist es möglich, das Abgasventil mit einer geringen Leistung zu öffnen. Entsprechend ist es möglich, ein kleines Abgasventil vorzusehen, selbst wenn der Druck innerhalb des Brenngas-Strömungspfades während eines stabilen Betriebs niedrig eingestellt ist, um eine Kreuzungs-Leckage zu reduzieren, und der Abgasventil-Durchmesser groß auszuführen ist. Es ist insbesondere möglich, das Brennstoffzellensystem kompakter zu gestalten, während eine Kreuzungs-Leckage reduziert wird. Außerdem ist es mit dem vorstehenden Aspekt im Vergleich zu einer Art und Weise, bei welcher der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, nachdem das Abgasventil geöffnet ist, nicht erhöht wird, möglich, das Brenngas in einer kürzeren Zeit von dem bzw. durch das Abgasventil nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abzugeben.
  • Was hier als ”Abgasventil” bezeichnet ist, enthält zusätzlich zu dem Ventil selbst Vorrichtungen zum Antreiben des Ventils. Außerdem kann die Zeitphase, für welche der Druck des Brenngases, welches zu der Brennstoffzelle geführt werden soll, auf den zweiten Druck eingestellt ist, unmittelbar danach beginnen, wenn das Abgasventil geöffnet wird, oder kann beginnen, nachdem eine bestimmte Zeit von der Steuerzeit, zu welcher das Abgasventil geöffnet wird, verstrichen ist. Außerdem kann die Zeitphase, für welche der Druck des Brenngases der zweite Druck ist, ebenso enden, bevor das Abgasventil schließt, oder kann enden, nachdem das Abgasventil schließt.
  • [Aspekt 2]
  • Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 1, wobei die Steuerungseinheit
    eine Rückführungs-Steuerung der Druck-Steuerungseinheit derart durchführt, das der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein bestimmter Druck bleibt, wenn Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle durchgeführt wird, und
    basierend auf einer Veränderung eines Rückführungs-Signals bei der Rückführungs-Steuerung und/oder eines Betriebszustandes der Druck-Steuerungseinheit erfasst, dass das Abgasventil geöffnet hat, und den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf den zweiten Druck einstellt.
  • Gemäß des vorstehenden Aspekts ist es möglich, Rückführungs-Signale oder Veränderungen im Betriebszustand der Druck-Steuerungseinheit aufgrund dessen, dass das Abgasventil tatsächlich öffnet, zu erfassen, und eine Steuerung durchzuführen, um den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zu erhöhen. Daher besteht aufgrund der Druck-Erhöhungs-Steuerung keine Behinderung der Ventilöffnung für das Abgasventil.
  • [Aspekt 3]
  • Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 1, ferner aufweisend:
    einen Drucksensor zum Erfassen von Drücken des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und/oder des Brenn-Abgases stromabwärts der Druck-Steuerungseinheit, wobei
    die Steuerungseinheit basierend auf einer Abnahme eines Messwertes, welcher durch den Drucksensor erhalten wird, erfasst, dass das Abgasventil geöffnet hat.
  • Beim Verwenden diese Art ist es möglich, eine Abnahme des Druckes aufgrund dessen, dass das Abgasventil tatsächlich öffnet, zu erfassen und eine Steuerung durchzuführen, um den Druck des Gases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zu erhöhen. Daher besteht aufgrund der Druck-Erhöhungs-Steuerung keine Behinderung der Ventilöffnung für das Abgasventil.
  • [Aspekt 4]
  • Das Brennstoffzellensystem nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit nach dem Einstellen des Druckes des Brenngases auf den zweiten Druck, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, in einem Zustand mit geöffnetem Abgasventil ein dritter Druck ist, wobei der dritte Druck höher als der zweite Druck ist.
  • Von der Brennstoffzelle abgegebenes Wasser kann als eine Flüssigkeit in dem Brenn-Abgas-Strömungspfad vorliegen. Dann werden, nachdem das Abgasventil geöffnet ist, wenn das flüssige Wasser und Gas von dem Abgasventil abgegeben werden, zunächst das flüssige Wasser nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abgegeben und danach wird Gas, welches Verunreinigungen und Brenngas im Ausgangszustand bzw. unreagiertes Brenngas enthält, abgegeben. Dabei kann, wenn das flüssige Wasser von dem Abgasventil abgegeben wird, wenn der Druck innerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades hoch ist und die Druckdifferenz mit bzw. zu dem Äußeren bzw. der Umgebung des Brenn-Abgas-Strömungspfades groß ist, Kavitation auftreten und Wasser kann nicht wirkungsvoll abgegeben werden.
  • Bei dem vorstehend angegebenen Aspekt wird der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf den relativ niedrigen zweiten Druck eingestellt, wenn bei dem Start flüssiges Wasser von dem Abgasventil abgegeben wird. Folglich wird der Druck des Brenn-Abgas-Strömungspfades ebenso niedrig gehalten. Dann wird, nachdem das Wasser abgegeben ist, der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf einen höheren dritten Druck eingestellt. Infolgedessen wird der Druck des Brenn-Abgas-Strömungspfades ebenso höher. Entsprechend ist es möglich, das Gas wirkungsvoll abzugeben.
  • [Aspekt 5]
  • Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 4, abhängig von Aspekt 1 oder 2, ferner aufweisend:
    einen Drucksensor zum Erfassen von Drücken des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und/oder des Brenn-Abgases stromabwärts der Druck-Steuerungseinheit, wobei
    die Steuerungseinheit den Vorgang des Einstellens des Druckes des Brenngases auf den dritten Druck, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, durchführt, nachdem die Abnahme des Messwertes, welcher durch den Drucksensor in einer bestimmten Zeitphase erhalten wird, einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat.
  • Wenn Wasser von dem Abgasventil abgegeben wird, nimmt der Druck des Brenngas-Strömungspfades innerhalb der Brennstoffzelle und des Brenn-Abgas-Strömungspfades ohne eine plötzliche Abnahme allmählich ab. Indessen nimmt, nachdem das Wasser von dem Abgasventil abgegeben ist, insbesondere, wenn das Gas abgegeben wird, der Druck des Brenngas-Strömungspfades innerhalb der Brennstoffzelle und des Brenn-Abgas-Strömungspfades stark ab. Entsprechend ist es gemäß des vorstehenden Aspekts möglich, den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und somit den Druck des Brenn-Abgas-Strömungspfades zu erhöhen, nachdem das Abgeben des Gases tatsächlich beginnt.
  • Der Drucksensor, mit welchem Aspekt 3 ausgestattet ist, und der Drucksensor, mit welchem Aspekt 5 ausgestattet ist, kann eine einzelne Einheit sein, oder kann aus getrennten Einheiten bestehen.
  • Es ist möglich, die nachfolgenden Aspekte anzuwenden: die Steuerung, bei welcher der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf den dritten Druck eingestellt wird, wird durchgeführt, nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist, seitdem das Ventil geöffnet ist. Gemäß dieses Aspekts ist es möglich, Wasser und Gas von dem bzw. durch das Abgasventil durch eine einfache Steuerung jeweils wirkungsvoll abzugeben.
  • [Aspekt 6]
  • Das Brennstoffzellensystem nach Aspekt 1 oder 2, ferner aufweisend:
    einen Zirkulations-Strömungspfad, welcher einen Teil des Abgases, welches innerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades strömt, zu dem Brenngas-Strömungspfad zurückführt,
    einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle,
    einen Strommesser zum Ermitteln des von der Brennstoffzelle strömenden Stromvolumens bzw. des Strombetrages,
    einen ersten Drucksensor, welcher einen Druck des Brenngases misst, welches von einer Brenngas-Zuführquelle zu der Druck-Steuerungseinheit geführt wird, und
    einen zweiten Drucksensor, welcher einen Druck des Brenngases misst, welches von der Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle geführt wird, wobei
    die Druck-Steuerungseinheit ein Injektor ist, welcher in dem Brenngas-Strömungspfad zwischen der Brenngas-Zuführquelle und der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei der Injektor in der Lage ist, Wasserstoffgas als Brenngas, welches von der Brenngas-Zuführquelle zu der Brennstoffzelle geführt wird, mit einem gesteuerten Druck zuzuführen, wobei die Steuerungseinheit
    während des Abgebens von Gas von dem Abgasventil, Brenngas, welches von der Brenngas-Zuführquelle zugeführt wird, mittels der Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle führt, wenn das Ventil offen ist, und
    wenn ein Parameter unter einen bestimmten Wert fällt, das Abgasventil schließt, wobei der Parameter basierend auf dem Druck des Brenngases, welches von der Brenngas-Zuführquelle zu der Druck-Steuerungseinheit geführt wird, dem Druck des Brenngases, welches durch die Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle geführt wird, der Temperatur der Brennstoffzelle und dem Strom, welchen die Brennstoffzelle ausgibt, erhalten wird.
  • Das von dem Abgasventil abgegebene Gas enthält Wasserstoffgas als das Brenngas und Stickstoff und Wasserdampf als die Verunreinigungen. Die Molekulargewichte bzw. Molmassen dieser Gase betragen jeweils 2, 14 und 18. Daher ist das durchschnittliche Molekulargewicht des von dem Abgasventil abgegebenen Gases 2 bis 18. Dabei beträgt das Molekulargewicht des Wasserstoffgases als ein Brenngas 2. Entsprechend wird, wenn das Ventil geöffnet ist, Gas, welches ein großes Volumen von Verunreinigungen enthält, von einem System, das einen Brenn-Abgas-Strömungspfad, eine Brennstoffzelle und einen Brenn-Abgas-Strömungspfad enthält, mittels eines Abgasventils abgegeben, und wenn Brenngas von der Brenngas-Zuführquelle zu diesem System geführt wird, wird das durchschnittliche Molekulargewicht des Gases, welches mittels des Abgasventils abgegeben wird, allmählich kleiner. Wenn dieses durchschnittliche Molekulargewicht kleiner als ein bestimmter Wert wird, ist es möglich zu ermitteln, dass Verunreinigungen von dem System, einschließlich des Brenn-Abgas-Strömungspfades, der Brennstoffzelle und des Brenn-Abgas-Strömungspfades, in ausreichendem Maße abgegeben wurden.
  • Dabei ist die Quadratwurzel des durchschnittlichen Molekulargewichts des von dem Abgasventil abgegebenen Gases proportional zu dem Strömungsvolumen pro Zeiteinheit des von dem Abgasventil abgegebenen Gases.
  • Außerdem mischt sich aus den von dem Abgasventil abgegebenen Gasen, hauptsächlich aufgrund von einer Kreuzungs-Leckage, welche bei der Brennstoffzelle auftritt, der Stickstoff in den Brenn-Abgas-Strömungspfad. Das Volumen der Kreuzungs-Leckage korreliert mit der Temperatur der Brennstoffzelle.
  • Außerdem liegt bei den von dem Abgasventil abgegebenen Gasen aufgrund der Wassererzeugung mit der Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle hauptsächlich Wasserdampf vor. Das Volumen dieses Wasserdampfes korreliert mit dem Stromvolumen bzw. dem Strombetrag der Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle und der Temperatur der Brennstoffzelle.
  • Darüber hinaus wird von den Gasen, welche von dem Abgasventil abgegeben werden, das Volumen des Wasserstoffgases als die Differenz zwischen dem Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle mittels des Injektors zugeführt wird, und dem Wasserstoff, welcher durch die Leistungserzeugung mit der Brennstoffzelle verbraucht wird, erhalten. Außerdem wird das Volumen des Wasserstoffs, welcher der Brennstoffzelle mittels des Injektors zugeführt wird, aus der Druckdifferenz vor und nach der Druck-Steuerungseinheit ermittelt.
  • Bei der vorstehend angegebenen Art schließt das Abgasventil, wenn die Parameter, welche basierend auf dem Druck des Brenngases, das der Druck-Steuerungseinheit zugeführt wird, dem Druck des Brenngases, welches von der Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle geführt wird, der Temperatur der Brennstoffzelle, der Temperatur der Brennstoffzelle und dem Strom der Brennstoffzelle erhalten werden, unter einen bestimmten Wert gelangen. Unter Verwendung dieser Art und Weise ist es möglich, das Abgasventil in einem Zustand zu schließen, bei welchem Verunreinigungen von der Gaszirkulation in dem System ausreichend abgegeben sind.
  • [Aspekt 7]
  • Das Brennstoffzellensystem nach einem der Aspekte 1 bis 6, wobei die Steuerungseinheit
    die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, um den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, vor dem Schließen des Abgasventils zu senken, und
    das Abgasventil in einem Zustand, bei welchem der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, gesenkt ist, schließt.
  • Gemäß des vorstehenden Aspekts ist es durch Schließen des Abgasventils möglich, die Situation zu verhindern, dass der Druck des Systems, einschließlich eines Brenn-Abgas-Strömungspfades, einer Brennstoffzelle und eines Brenn-Abgas-Strömungspfades, hin zu einem ungewünschten Niveau ansteigt.
  • [Aspekt 8]
  • Ein Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist:
    eine Brennstoffzelle,
    eine Druck-Steuerungseinheit, welche bei einem Brenngas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem Brenngas strömt, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, wobei die Druck-Steuerungseinheit in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu steuern, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll,
    ein Abgasventil, welches bei einem Brenn-Abgas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brenn-Abgas strömt, wobei das Abgasventil in der Lage ist, zumindest einen Teil des Brenn-Abgases nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abzugeben, wenn das Abgasventil geöffnet ist, und
    wobei das Verfahren aufweist
    • (a) einen Schritt des Öffnens des Abgasventils, wenn der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, ein erster Druck ist, und
    • (b) einen Schritt des Steuerns der Druck-Steuerungseinheit, so dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein zweiter Druck ist, nachdem das Abgasventil geöffnet ist, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann in Form verschiedener Arten und Weisen realisiert werden, welche sich von den vorstehend angegebenen unterscheiden, und kann beispielsweise ebenso in Arten und Weisen, wie einem Brennstoffzellen-Installationsverfahren, einem Brennstoffzellensystem, einem Fahrzeug mit einer installierten Brennstoffzelle oder dergleichen realisiert werden.
  • Nachfolgend sind Details von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dieser Anmeldung mit Bezug auf die Abbildungen beschrieben, welche zusätzlich zu weiteren Aufgaben, Konfigurationen und Effekten die vorstehend angegebene Aufgabe der Erfindung dieser Anmeldung verdeutlichen.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau des Brennstoffzellensystems 10, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, schematisch zeigt;
  • 2 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, welche die Peripherie des Ein-Aus-Ventils 50 des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 zeigt;
  • 3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht, welche die Peripherie des Ein-Aus-Ventils 50 des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 zeigt;
  • 4 ist ein Diagramm, welches die Steuerinhalte des Injektors 62 zeigt, die durch die Steuerungseinheit 70 durchgeführt werden;
  • 5 ist ein Graph, welcher das Abgasvolumen von Gas und Wasser pro Zeiteinheit zeigt, wenn der Druck Pe innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 ein bestimmter Wert ist;
  • 6 ist ein Graph, welcher die Wasserstoffkonzentration Dh in dem von dem Verdünner 26 abgegebenen Abgas darstellt;
  • 7 ist ein Graph, welcher Veränderungen der Ventil-Öffnungszeit zeigt;
  • 8 ist ein Diagramm, welches die Steuerinhalte des Injektors 62 zeigt, die durch die Steuerungseinheit 70 bei der zweiten Ausführungsform durchgeführt werden;
  • 9 ist ein Graph, welcher die Inhalte bzw. die Zusammensetzung des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases zeigt, unmittelbar nachdem das Ein-Aus-Ventils 50 geöffnet wird, und die Inhalte des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases zeigt, unmittelbar bevor das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen wird;
  • 10 ist eine Abbildung, welche ein Kennfeld Mn bezüglich der Menge qn pro Zeiteinheit von Stickstoffgas darstellt, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, das die Steuerungseinheit 70 besitzt;
  • 11 ist eine Abbildung, welche Kennfelder Mw1, Mw2 und Mw3 bezüglich der Menge qw von Wasserdampf pro Zeiteinheit darstellt, welcher von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, das die Steuerungseinheit 70 besitzt; und
  • 12 ist ein Graph, welcher die Menge qL von flüssigem Wasser zeigt, welches von dem Flüssigkeits-Separator 27 abgegeben werden soll, wenn die Kühlwasser-Temperatur Tw 50 Grad beträgt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden Arten und Weisen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung basierend auf Ausführungsformen beschrieben.
  • A. Erste Ausführungsform:
  • A1. Gesamtaufbau der Vorrichtung:
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau des Brennstoffzellensystems 10, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, schematisch zeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist mit einer Brennstoffzelle 22, welche die Leistungs-Erzeugungs-Haupteinheit darstellt, einem Wasserstofftank 23, der Wasserstoff speichert, welcher der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird, und einem Luftkompressor 24 zum Zuführen von komprimierter Luft zu der Brennstoffzelle 22 ausgestattet. Es ist möglich, für die Brennstoffzelle 22 verschiedene Typen von Brennstoffzellen zu verwenden, jedoch wird bei dieser Ausführungsform eine Brennstoffzelle vom Festpolymer-Typ als die Brennstoffzelle 22 verwendet. Diese Brennstoffzelle 22 besitzt einen gestapelten Aufbau mit einer Mehrzahl von laminierten Einzelzellen.
  • Der Wasserstofftank 23 kann beispielsweise ein Wasserstoffzylinder zum Speichern von Hochdruck-Wasserstoff sein. Alternativ ist es ebenso möglich, einen Tank zum Speichern von Wasserstoff durch Ausrüsten mit einer Wasserstoff-Okklusions-Legierung im Inneren und Verschließen des Wasserstoffs in der bzw. durch die Wasserstoff-Okklusions-Legierung zu verwenden. Das in dem Wasserstofftank 23 gespeicherte Wasserstoffgas wird, nachdem dieses zu dem Wasserstoffgas-Zuführpfad 60 abgegeben wurde, durch den Injektor 62 auf einen bestimmten Wert angepasst und zu der Anode der Brennstoffzelle 22 geführt. Ein FC-Einlass-Absperrventil 61 ist bei dem Wasserstoffgas-Zuführpfad 60 vorgesehen.
  • Der Injektor 62 besitzt zwei Zustände, den Ventil-offenen Zustand und den Ventil-geschlossenen Zustand. Bei dem Injektor 62 sind die „Zeitphase To in einem Zustand mit dem offenen Ventil” und die „Zeitphase Tc in einem Zustand mit dem geschlossenen Ventil” jeweils auf bestimmte Werte festgelegt und es ist möglich, den Ventil-offenen Zustand und den Ventil-geschlossenen Zustand schnell zu wiederholen. Entsprechend ist es durch Ausführen einer PWM-Steuerung des Injektors 62 möglich, Wasserstoffgas mit irgendeinem Druck zu der Anode der Brennstoffzelle 22 zu führen.
  • Bei dem Injektor 62 wird das Verhältnis, welches durch Dividieren der „Zeitphase To in einem Zustand mit dem offenen Ventil” durch die Summe aus der „Zeitphase To in einem Zustand mit dem offenen Ventil” und der „Zeitphase Tc in einem Zustand mit dem geschlossenen Ventil” erhalten wird, in dieser Spezifikation als „Tastverhältnis Di” bezeichnet. Durch Anpassen dieses Tastverhältnisses Di kann der Injektor 62 Wasserstoffgas mit irgendeinem Druck zu der Anode der Brennstoffzelle 22 führen. Bei dieser Spezifikation wird, je größer der Anteil von Zeit in dem Ventil-offenen Zustand ist, das Tastverhältnis umso mehr als „groß” beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird das Anoden-Abgas, welches von der Anode der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird, zu den Anoden-Abgaspfaden 63e, 63m und 63r geführt und strömt erneut in den Wasserstoffgas-Zuführpfad 60. Ein Wasserstoff-Zylinder 65 ist in den Anoden-Abgaspfaden 63e, 63m und 63r auf halbem Wege vorgesehen. Der Druck des Anoden-Abgaspfades 63e und des Anoden-Abgaspfades 63m, welche mit der stromabwärtigen Seite der Anode der Brennstoffzelle 22 verbunden sind, ist durch den Betrag des Druckverlustes des Pfades innerhalb der Brennstoffzelle 22 und des Wasserstoffgases, welches durch die Brennstoffzelle 22 verbraucht wird, niedriger als der Druck des Wasserstoffgas-Zuführpfades 60, welcher mit der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 22 verbunden ist. Das Anoden-Abgas, welches durch die Anoden-Abgaspfade 63e und 63m strömt, das von der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird, wird durch den Wasserstoff-Zylinder 65 komprimiert, der Druck wird erhöht, es wird dem Anoden-Abgaspfad 63r zugeführt und strömt in den Wasserstoffgas-Zufürpfad 60. Auf diese Art und Weise wird das restliche Wasserstoffgas in dem Anoden-Abgas innerhalb des Strömungspfades zirkuliert und für eine elektrochemische Reaktion erneut zugeführt.
  • Zwischen dem Anoden-Abgaspfad 63e und dem Anoden-Abgaspfad 63m ist außerdem ein Gas-Flüssigkeits-Separator 27 vorgesehen. Wasser wird bei der Kathode erzeugt, während die elektrochemische Reaktion voranschreitet. Das bei der Kathode erzeugte Wasser wird mittels einer Elektrolytmembran ebenso in das Gas der Anodenseite geführt. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform wird der Wasserdampf, welcher innerhalb des Anoden-Abgases gesammelt wird, durch den Gas-Flüssigkeits-Separator 27 in dem Anoden-Abgaspfad 63 kondensiert und nach außerhalb des Systems abgegeben, um ein Fluten aufgrund diesen Wassers zu verhindern. Was hier als das ”System” bezeichnet wird, ist der Gas-Strömungspfad, welcher durch den Brenngas-Zuführpfad 60 zum Zuführen von Brenngas zu der Brennstoffzelle, den Strömungspfad von Brenngas innerhalb der Brennstoffzelle 22 und die Anoden-Abgaspfade 63m, 63m und 63r zum erneuten Zuführen des Anoden-Abgases, welches von der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird, zu dem Brenngas-Zuführpfad 60, aufgebaut ist.
  • Ein Ein-Aus-Ventil 50 ist bei dem Gas-Flüssigkeits-Separator 27 vorgesehen und der Gas-Flüssigkeits-Abgaspfad 64 ist mittels des Ein-Aus-Ventils 50 ebenso mit diesem verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Abgaspfad 64 ist außerdem mit dem Verdünner 26 verbunden. Durch das Vorliegen des Ein-Aus-Ventils 50 in einem offenen Zustand werden das innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 kondensierte Wasser und ein Teil des Anoden-Abgases, welches durch den Anoden-Abgaspfad 63 strömt, durch den Verdünner 26 in die Atmosphäre abgegeben.
  • 2 und 3 sind vergrößerte schematische Ansichten, welche die Peripherie des Ein-Aus-Ventils 50 des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 zeigen. 2 zeigt das Ein-Aus-Ventil 50 in einem geschlossen Zustand. 3 zeigt das Ein-Aus-Ventil 50 in einem offenen Zustand. Das Ein-Aus-Ventil 50 ist mit einem äußeren Gehäuse 51, welches ebenso als das äußere Gehäuse des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 dient, einem Ventilkörper 52, einer Dichtung 53 und einer Spule 54 ausgerüstet. Das äußere Gehäuse 51 teilt das Ein-Aus-Ventil 50 in einen Innenraum und einen Außenraum, und ist mit einem Loch 51h ausgerüstet. Der Innenraum des Ein-Aus-Ventils 50 kann veranlasst werden, mittels des Lochs 51h mit dem Gas-Flüssigkeits-Abgaspfad 64 in Verbindung zu stehen. Die Dichtung 53 ist unter Verwendung eines elastischen, deformierbaren Materials vorgesehen und umgibt das Loch 51h auf der Innenseite des äußeren Gehäuses 51.
  • Wenn der Ventilkörper 52 durch die Dichtung 53 bzw. auf die Dichtung 53 gedrückt wird, schließt sich das Loch 51h. Wenn der Ventilkörper 52 von der Dichtung 53 getrennt wird, steht der Innenraum des Ein-Aus-Ventils 50 mittels des Lochs 51h mit dem Gas-Flüssigkeits-Abgaspfad 64 in Verbindung. Die Spule 54 ist innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 vorgesehen und betätigt den Ventilkörper 52. Mit der Spule 54 wird der Ventilkörper 52 in Richtung des äußeren Gehäuses 51 ausgerichtet und unter Druck gesetzt, und eng mit der Dichtung 53 verbunden, oder der Ventilkörper 52 wird von der Dichtung 53 weggezogen. Infolgedessen kann das Ein-Aus-Ventil 50 zwei Zustände aufweisen, den Ventil-offenen Zustand und den Ventil-geschlossenen Zustand. Die Steuerungseinheit 70 steuert die Spule 54 des Ein-Aus-Ventils 50 und öffnet und schließt das Ein-Aus-Ventil 50.
  • Das Ein-Aus-Ventil 50 ist bei dem unteren Teil des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 vorgesehen. Entsprechend wird, wenn sich das Ein-Aus-Ventil 50 in einem offenen Zustand befindet (siehe 3), das gesamte Wasser, welches innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 kondensiert ist, zu dem Verdünner 26 abgegeben. Dann wird, nachdem das Wasser abgegeben wurde, ein Teil des Anoden-Abgases zu dem Verdünner 26 abgegeben (siehe Pfeil Af in 3).
  • Das Brennstoffzellensystem 10 dieser Ausführungsform besitzt einen Aufbau, wobei der Anoden-Abgaspfad 63 mit dem Wasserstoffgas-Zuführpfad 60 verbunden ist, und Anoden-Abgas wird für elektrochemische Reaktionen erneut zugeführt. Bei der Brennstoffzelle 22 dringt Stickstoff von der Kathodenseite zu der Anodenseite durch die Elektrolytmembran. Entsprechend steigt, wenn Wasserstoffgas zwischen der Brennstoffzelle 22 und dem Anoden-Abgaspfad 63 zirkuliert wird, im Zeitverlauf die Stickstoffkonzentration auf der Anodenseite an. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 wird ein Teil des Anoden-Abgases mittels des Ein-Aus-Ventils 50 bei bestimmten Zeitintervallen nach außerhalb des Strömungspfades abgegeben. Infolgedessen wird die Verunreinigungskonzentration innerhalb des Anoden-Abgaspfades 63 gesenkt und ein Anstieg der Konzentration von Verunreinigungen, wie Stickstoff, in dem der Anode zugeführten Gas wird verhindert.
  • Der in 1 gezeigte Luftkompressor 24 führt mittels des Oxidationsgas-Zuführpfades 67 unter Druck gesetzte Luft als das Oxidationsgas zu der Kathode der Brennstoffzelle 22. Wenn der Luftkompressor 24 die Luft komprimiert, nimmt dieser mittels eines Massen-Strömungsmessers 28, welcher mit einem Filter ausgerüstet ist, Luft von außerhalb auf. Das von der Kathode abgegebene Kathoden-Abgas wird zu dem Kathoden-Abgaspfad 68 geführt und nach außerhalb abgegeben.
  • Der vorhergehend beschriebene Verdünner 26 ist bei dem Kathoden-Abgaspfad 68 vorgesehen. Der Verdünner 26 ist ein Behälter mit einer größeren Querschnittsfläche als dieser des Gas-Flüssigkeits-Abgaspfades 64 und ein Ende ist zu der Atmosphäre hin geöffnet. Das Anoden-Abgas strömt mittels des Ein-Aus-Ventils 50, welches mit dem Gas-Flüssigkeits-Separator 27 und dem Gas-Flüssigkeits-Abgaspfad 64 verbunden ist, in den Verdünner 26. Das Anoden-Abgas, welches in den Verdünner 26 strömt, wird durch Vermischen mit dem Kathoden-Abgas in dem Verdünner 26 verdünnt. Danach werden das vermischte Anoden-Abgas und das Kathoden-Abgas von dem Kathoden-Abgaspfad 68 in die Atmosphäre abgegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird jede Vorrichtung des Brennstoffzellensystems 10, wie der Luftkompressor 24, derart gesteuert, dass die Konzentration von Wasserstoffgas in dem abgegebenen Gas einer bestimmten Konzentration entspricht oder niedriger ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 ist ferner mit einer Kühleinheit 40 zum Kühlen der Brennstoffzelle 22 vorgesehen, so dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 22 einer bestimmten Temperatur entspricht. Die Kühleinheit 40 ist mit einem Kühlwasser-Pfad 41, einer Kühlpumpe 42 und einem Kühler 29 ausgerüstet. Der Kühlwasser-Pfad 41 ist ein Strömungspfad, welcher Kühlwasser derart führt, dass das Kühlwasser zwischen dem Inneren der Brennstoffzelle 22 unter dem Kühler 19 zirkuliert. Die Kühlpumpe 42 zirkuliert Kühlwasser innerhalb des Kühlwasser-Pfades 41. Der Kühler 29 ist mit einem Kühl-Lüfter ausgerüstet und kühlt Kühlwasser, für welches die Temperatur mittels des Inneren der Brennstoffzelle 22 angestiegen ist.
  • Vorrichtungen, welche in Zusammenhang mit der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 22 arbeiten, wie der bereits beschriebene Luftkompressor 24, die Kühlpumpe 42 oder ein Kühlerlüfter oder Ventile, welche in Strömungspfaden angeordnet sind, oder dergleichen, werden nachfolgend als Brennstoffzellen-Hilfseinrichtung bezeichnet. Diese Brennstoffzellen-Hilfseinrichtung arbeitet mit Leistung, welche von der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird.
  • Mit der Brennstoffzelle 22 ist eine Lastvorrichtung 30 verbunden, welche eine Leistung verbrauchende Vorrichtung ist, für welche Leistung von der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird. Diese Lastvorrichtung 30 kann einen Elektromotor enthalten, welcher mit von der Brennstoffzelle 22 zugeführter Leistung arbeitet. Zu beachten ist, dass in 1 die Lastvorrichtung 30 als eine unabhängige Last von dem Brennstoffzellensystem 10 dargestellt ist, jedoch ist die zuvor beschriebene Brennstoffzellen-Hilfseinrichtung ebenso in dieser Lastvorrichtung 30 enthalten. In 1 ist insbesondere eine Vorrichtung, einschließlich der Brennstoffzellen-Hilfseinrichtung, wie dem Luftkompressor 24 oder dergleichen, für welche Leistung von der Brennstoffzelle 22 zugeführt wird, als die Lastvorrichtung 30 dargestellt.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 ist ferner mit einer Steuerungseinheit 70 ausgerüstet, welche die Bewegung jedes Teils des Brennstoffzellensystems 10 steuert. Die Steuerungseinheit 70 ist als eine logische Schaltung mit einem Mikrocomputer als deren Kern aufgebaut. Die Steuerungseinheit 70 ist insbesondere mit einer CPU zum Ausführen von bestimmten Vorgängen oder dergleichen gemäß den vorliegenden Steuerprogrammen, einem ROM, in welchem Steuerprogramme, Steuerdaten oder dergleichen, welche zum Ausführen von verschiedenen Typen von arithmetischen Verarbeitungen mit der CPU im Vorhinein gespeichert sind, einem RAM, in welchem in ähnlicher Art und Weise verschiedene Typen von Daten, die zum Ausführen der verschiedenen Typen von arithmetischen Verarbeitungen mit der CPU erforderlich sind, temporär gespeichert sind, einem Eingangs-/Ausgangs-Anschluss zum Eingeben und Ausgeben von verschiedenen Typen von Signalen und dergleichen ausgerüstet.
  • Diese Steuerungseinheit 70 ruft Erfassungssignale von jedem Sensor, wie einem Strommesser 35, einem Spannungsmesser 36, einem Impedanzmesser 37, einem Temperatursensor 43 und Drucksensoren 66a, 66b und dergleichen, welche in jedem Teil des Brennstoffzellensystems 10 vorgesehen sind, und Informationen bezüglich Lastanforderungen mit der Lastvorrichtung 30 ab. Die Steuerungseinheit 70 gibt außerdem Antriebssignale an jeden Teil bezüglich der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 22, mit welchen das Brennstoffzellensystem 10 ausgerüstet ist, wie die Pumpe oder die Ventile, Kühlerlüfter oder dergleichen, welche in dem Strömungspfad vorgesehen sind. In 1 ist, um den Zustand des Austausches von Signalen zwischen den Strukturelementen des Brennstoffzellensystem 10 und der Steuerungseinheit 70 darzustellen, die Steuerungseinheit 70 außerhalb des Brennstoffzellensystems 10 angegeben.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 ist bei dem Schaltkreis, welcher die Brennstoffzelle 22 und die Lastvorrichtung 30 verbindet, mit einem Strommesser 35 vorgesehen (siehe 1). Das Brennstoffzellensystem 10 ist in dem Kühlwasser-Pfad 41 außerdem mit einem Temperatursensor 43 zum Erfassen der Temperatur des Kühlwassers, welches von der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird und in den Kühler 29 strömt, ausgerüstet. Darüber hinaus ist das Brennstoffzellensystem 10 bei einer Position des Wasserstoffgas-Zuführpfades 60, welche stromabwärts des Wasserstofftanks 23 und stromaufwärts des Injektors 62 liegt, mit einem Drucksensor 66a ausgerüstet. Außerdem ist das Brennstoffzellensystem 10 an einer Position des Wasserstoffgas-Zuführpfades 60, welche stromabwärts des Injektors 62 und stromaufwärts der Brennstoffzelle 22 liegt, mit einem Drucksensor 66b ausgerüstet.
  • Die Steuerungseinheit 70 referenziert die in der Steuerungseinheit 70 im Vorhinein gespeicherten Kennfelder und fünhrt basierend auf dem durch den Strommesser 35 erfassten Stromvolumen bzw. Strombetrag, der durch den Temperatursensor 43 erfassten Kühlwassertemperatur, dem durch die Drucksensoren 66a, 66b erfassten Wasserstoffdruck und dergleichen die Steuerung der Öffnungs- und Schliessvorgänge des Ein-Aus-Ventils 50 durch und steuert den Betrieb des Injektors 62. Beispielsweise wird im Vorhinein ein Ventil-Kennfeld Mv, mit welchem die Zeitintervalle, um das Ventil zu öffnen (Zeit, wenn das Ventil geschlossen ist), und die Zeit, für welche das Ventil geöffnet ist, gemäß des integrierten Wertes des Leistungserzeugungsvolumens der Brennstoffzelle 22 ermittelt werden, geschaffen und innerhalb der Steuerungseinheit 70 gespeichert. Das Ventil-Kennfeld Mv besitzt eine Mehrzahl von Datensätzen gemäß Kühlwassertemperatur-Abschnitten.
  • A2. Ein-Aus-Ventil und Injektor-Steuerung:
  • Wie zuvor beschrieben ist, referenziert die Steuerungseinheit 70 das Ventil-Kennfeld Mv und öffnet und schließt das Ein-Aus-Ventil 50 basierend auf dem integrierten Wert des Leistungserzeugungsvolumens der Brennstoffzelle 22. Dann steuert die Steuerungseinheit 70 den Betriebszustand des Injektors 62 gemäß des Öffnens und Schliessens des Ein-Aus-Ventils 50.
  • 4 ist ein Diagramm, welches die Steuerung des Injektors 62 zeigt, die durch die Steuerungseinheit 70 durchgeführt wird. Vs, welche auf der untersten Ebene von 4 gezeigt ist, zeigt den offenen und geschlossenen Zustand des Ein-Aus-Ventils 50. Eine hohe Vs gibt an, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet ist. Eine niedrige Vs gibt an, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen ist. Di, welche in der mittleren Ebene von 4 gezeigt ist, ist das Tastverhältnis Di des Injektors 62. Das Tastverhältnis Di des Injektors 62 kann gemäß der Steuerung der Steuerungseinheit 70 verschiedene Werte annehmen. Po, welche auf der obersten Ebene von 4 gezeigt ist, ist der Druck des Wasserstoffgases stromabwärts des Injektors 62, welcher durch den Drucksensor 66b gemessen wird (siehe 1).
  • Wenn die Steuerungseinheit 70 gemäß des Ventil-Kennfeldes Mv ermittelt, dass das Ein-Aus-Ventil 50 bei einem bestimmten Zeitpunkt t3 geöffnet werden soll, reduziert die Steuerungseinheit 70 den Druck des Wasserstoffgases stromabwärts des Injektors 62 vor dem Zeitpunkt t3. Konkret reduziert die Steuerungseinheit 70 zum Zeitpunkt t1 zunächst das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von dem Tastverhältnis D0 bis zu diesem Zeitpunkt auf D1 (D1 < D0) und danach wird zum Zeitpunkt t2 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 auf D2 eingestellt (D1 < D2 < D0).
  • Folglich nimmt bei einer Zeitphase Tp1 zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 von P0 auf P2 (P2 < P0) ab. Dann wird bei einer Zeitphase Tp2 zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 auf P2 gehalten. P0, P1 und P2 sind allesamt höher als der Druck Pd innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Abgaspfades 64 und des Verdünners 26.
  • Danach öffnet die Steuerungseinheit 70 zum Zeitpunkt t3 das Ein-Aus-Ventil 50. Auf diese Art und Weise wird bei dieser Ausführungsform vor dem Öffnen des Ein-Aus-Ventil 50 der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 gesenkt (siehe Zeitphasen Tp1 und Tp2 in 4). Entsprechend werden, wenn das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet ist, der Druck Pe innerhalb des Anoden-Abgaspfades 63e und des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 niedriger. Es wird insbesondere die Differenz zwischen dem Druck Pe innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 und dem Druck Pd innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Abgaspfades 64 und dem Verdünner 26 kleiner. Entsprechend ist es möglich, den Ventilkörper 52 mit einer kleinen Kraft in Richtung des Innenraums des Ein-Aus-Ventils 50 zu bewegen, selbst wenn der Durchmesser des Ventilkörpers 52 groß ist (siehe 2 und 3). Es ist außerdem möglich, den Ventilkörper 52 mit einer kleinen Kraft in Richtung des Innenraumes des Ein-Aus-Ventils 50 zu bewegen, selbst wenn der Druck Po auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 für Betriebszwecke des Brennstoffzellensystems groß ist. Daher ist es für die Spule 54 nicht notwendig, eine große Spule vorzusehen, welche in der Lage ist, eine große Kraft zu erzeugen.
  • Wenn das Ein-Aus-Ventil 50 zum Zeitpunkt t3 öffnet, werden das flüssige Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 zu dem Verdünner 26 abgegeben (siehe 1 und 3). Folglich nimmt der Druck des Systems, einschließlich des Anoden-Abgaspfades 63e, 63m und 63r, des Strömungspfades des Brenngases innerhalb der Brennstoffzelle 22 und des Brenngas-Zuführpfades 60 (nachfolgend als „Brenngas-Zirkulations-System” bezeichnet) ab. Entsprechend nimmt der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62, welcher durch den Drucksensor 66b gemessen wird, ab (siehe Zeitphase Tp3 in 4). Wenn erfasst wird, das Po auf den bestimmten Druck P3 abgenommen hat (P3 < P2), erhöht die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von D2 auf D3 (D2 < D0 < D3). Folglich steigt der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 zu der Zeitphase Tp4 von P3 auf P5 (P5 > P0).
  • Danach hält die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 auf D4 (D0 < D4 < D3). Folglich wird der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 zu Zeitphase Tp5 auf P5 gehalten (P2 < P0 < P5).
  • Auf diese Art und Weise wird bei dieser Ausführungsform, nachdem das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet ist, der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 höher gemacht als bevor das Ventil geöffnet ist (siehe Zeitphasen Tp0 und Tp5 in 4). Entsprechend ist es möglich, dass der Druck innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50, welches in dem Abgas-Zirkulations-System enthalten ist, hoch ist. Folglich ist es möglich, Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil wirkungsvoll abzugeben, selbst wenn das Leistungserzeugungvolumen der Brennstoffzelle niedrig ist und der Druck P0 niedrig ist. Außerdem ist der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 ein Wert niedriger als P5, wenn das Ein-Aus-Ventil 50 öffnet. Entsprechend ist es möglich, den Ventilkörper 52 mit einer kleinen Kraft in Richtung des Inneren des Ein-Aus-Ventils 50 zu bewegen. Daher ist es für die Spule 54 nicht notwendig, eine große Spule vorzusehen, welche eine hohe Kraft erzeugen kann. Außerdem wird der Druck P0 während normalen Zeitpunkten, bevor das Ein-Aus-Ventil geöffnet ist, ohne Berücksichtigung der Abgabe von Wasser und Gas von dem System ermittelt. Entsprechend ist es möglich, den Druck P0 während eines normalen Betriebs auf einen Druck einzustellen, bei welchem eine Kreuzungs-Leckage nicht auf einfache Weise auftritt.
  • Bei dieser Ausführungsform wird außerdem die Ventilöffnung des Ein-Aus-Ventils 50 basierend auf Druckveränderungen erfasst und der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 wird hoch gemacht. Entsprechend wird der Druck Po des Wasserstoffgases vor der Ventilöffnung des Ein-Aus-Ventils 50 nicht hoch und es ist möglich, die Situation zu vermeiden, dass die Ventilöffnung behindert wird.
  • Nachdem das Ein-Aus-Ventil 50 zum Zeitpunkt t3 öffnet, wird Wasser bis zum Zeitpunkt t6 von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben. Entsprechend liegt kein rapides Abgeben des Gases und von Flüssigkeit von dem Brenngas-Zirkulations-System, und keine rapide Abnahme des Innerendruckes vor. Der Ursache hierfür wird nachfolgend dargestellt: die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, ist im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit welcher Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, gering. Zu der Zeitphase Tp5 ist das Tastverhältnis D4 des Injektors 62 zum konstanten Aufrechterhalten des Druckes Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 ein Wert, welcher unter der Annahme eingestellt ist, das Wasser von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird und dass Gas nicht abgegeben wird.
  • Danach ist zum Zeitpunkt t6 das Abgeben von Wasser von dem Ein-Aus-Ventil abgeschlossen und das Abgeben von Gas von dem Ein-Aus-Ventil beginnt. Folglich nimmt der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems rapide ab. Entsprechend nimmt der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 rapide ab (siehe Zeitphase Tp6 in 4).
  • Wenn erfasst wird, dass die Abnahme des Druckes pro Zeiteinheit auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 größer als ein bestimmter Schwellenwert Tr6 wurde, erhöht die Steuerungeinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von D4 auf D5 (D3 < D4 < D5). Folglich steigt der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 zu der Zeitphase Tp7 von P6 auf P7 (P6 < P5 < P7). Danach hält die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 auf D6 (D4 < D6 < D5). Folglich wird der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 zu der Zeitphase Tp8 auf P7 gehalten (P7 > P5).
  • Auf diese Art und Weise wird bei dieser Ausführungsform die Tatsache, dass die Wasser-Abgabe abgeschlossen ist und dass Abgeben von Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 begann, basierend auf der Druck-Abnahmerate erfasst und dann wird der Druck des Systems nochmals erhöht (siehe Zeitphasen Tp6 bis Tp8 in 4). Entsprechend ist es möglich, Abgas von dem Ein-Aus-Ventil 50 wirkungsvoll abzugeben.
  • Danach senkt die Steuerungseinheit 70 den Druck des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 vor dem Zeitpunkt t10, bei welchem das Ein-Aus-Ventil 50 gemäß des Ventil-Kennfeldes Mv geschlossen sein soll. Konkret nimmt zum Zeitpunkt t9 (t9 < t10) das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von dem Tastverhältnis D6 bis dahin auf D0 ab. Folglich nimmt zu der Zeitphase Tp9 der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 von P7 auf P0 ab (P0 < P7). Dann wird zur Zeitphase Tp10 nach dem Zeitpunkt t9 der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 auf P0 gehalten. In dem Beispiel in 4 ist der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 22 gleichbleibend und verändert sich nicht.
  • Danach schließt die Steuerungseinheit 70 zum Zeitpunkt t10 das Ein-Aus-Ventil 50. Auf diese Art und Weise wird bei dieser Ausführungsform vor dem Schließen des Ein-Aus-Ventils 50 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 gesenkt und der Druck Po des Wasserstoffgases der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 wird niedriger gemacht (siehe Zeitphasen Tp9 und Tp10 in 4). Entsprechend ist es möglich, den Umstand zu verhindern, dass der Druck Pe innerhalb des Anoden-Abgaspfades 63e und des Gas-Flüssigkeits-Separators 27, unmittelbar nachdem das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen ist, höher wird.
  • 5 ist ein Graph, welcher das Gas- und Wasser-Abgabevolumen pro Zeiteinheit zeigt, wenn der Druck Pe innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 ein bestimmter Wert ist. Die vertikale Achse stellt das Gas- und Wasser-Abgabevolumen pro Zeiteinheit dar. Die horizontale Achse stellt die Zeit dar. Der Graph Qg stellt die Veränderung des Gas-Abgabevolumens pro Zeiteinheit dar, wenn lediglich Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Der Graph Qw stellt die Veränderungen im Abgabevolumen von Gas und pro Zeiteinheit dar, wenn Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden.
  • Aus Graph Qg ist ersichtlich, dass das Gas-Abgabevolumen pro Zeiteinheit im Zeitverlauf ansteigt, wenn lediglich Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Im Gegensatz dazu ist aus Graph Qw ersichtlich, dass das Gas-Abgabevolumen pro Zeiteinheit nahezu überhaupt nicht ansteigt, nachdem ein bestimmtes Volumen erreicht ist, wenn Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden. Dies liegt daran, da bei dem abgegebenen Wasser Kavitation auftritt, welche das Abgeben von Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 behindert. Kavitation tritt auf einfache Weise auf, wenn die Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 größer als ein bestimmter Wert ist. Wenn Kavitation auftritt, steigt das Geräusch an und Korrosion der Bauelemente, welche das Ein-Aus-Ventil 50 bilden, kann auf einfache Art und Weise voranschreiten.
  • Entsprechend ist zur Zeitphase Tp5 in 4 das Tastverhältnis D4 des Injektors 62 derart eingestellt, dass der Druck Pe innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 niedriger als der Wert ist, bei welchem Kavitation auf einfache Weise auftritt. Das Tastverhältnis D4 ist insbesondere derart eingestellt, wie nachfolgend beschrieben ist.
  • Es ist möglich, im Vorhinein den Druckverlust (Haupt-Druckverlust durch die Brennstoffzelle 22) stromabwärts des Injektors 62 und aufwärts des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 zu messen, wenn der Druck Po des Wasserstoffgases stromabwärts des Injektors 62, insbesondere stromaufwärts der Brennstoffzelle 22, ein bestimmter Wert ist. Entsprechend wird der Ziel-Druck Pot des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 (stromaufwärtige Seite der Brennstoffzelle 22) unter Berücksichtigung des Druckverlustes der Brennstoffzelle 22 und dergleichen eingestellt, so dass der Druck Pe innerhalb des Ein-Aus-Ventil 50 des Gas-Flüssigkeits-Separators 27 niedriger als der Wert ist, bei welchem Kavitation auftritt. Dann wird das Tastverhältnis D4 des Injektors 62 derart eingestellt, dass der Druck des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 gleich Pot ist.
  • Im Gegensatz dazu bestehen für das Tastverhältnis D6 des Injektors 62, wenn lediglich Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, keine Beschränkungen bezüglich des Auftretens von Kavitation (siehe Zeitphase Tp8 in 4). Daher wird das Tastverhältnis D6 derart eingestellt, dass der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 höher ist wie bei dem Tastverhältnis D4 (P7 > P5, D6 > D4). Durch das Einstellen der Tastverhältnisse D4 und D6 des Injektors 62 auf diese Art und Weise ist es möglich, wenn Wasser und Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, Wasser und Gas ohne das Auftreten von Kavitation wirkungsvoll abzugeben. Außerdem ist es möglich, wenn lediglich Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, Gas mit einem noch höheren Druck abzugeben.
  • Dabei ist das Tastverhältnis D6 unter den nachfolgenden Arten von Beschränkungen, basierend auf der Leistungsfähigkeit eines Luftkompressors 24 oder dergleichen, welcher komprimierte Luft zu dem Verdünner 26 und der Brennstoffzelle 22 führt, eingestellt. In 4 ist das Tastverhältnis D6 insbesondere als ein festgelegter Wert gezeigt, um das Verständnis der Technologie zu vereinfachen. In Wirklichkeit steuert die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis D6 jedoch derart, dass die Wasserstoffkonzentration von Abgas, welches von dem Verdünner 26 abgegeben wird, niedriger als ein bestimmter Wert ist (zum Beispiel 3,9%).
  • 6 ist ein Graph, welcher die Wasserstoffkonzentration Dh im Abgas darstellt, welches von dem Verdünner 26 abgegeben wird. Die vertikale Achse stellt die Wasserstoffkonzentration Dh dar. Die horizontale Achse stellt die Zeit dar. Wenn das Ein-Aus-Ventil 50 zum Zeitpunkt t3 in 4 geöffnet wird, wird zum Beginn nahezu lediglich Wasser von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben. Diese Zeitphase korreliert mit der Zeitphase Tp61 in 6. Danach steigt, wenn die Abgabe von Gas von dem Ein-Aus-Ventil 50 beginnt, die Wasserstoffkonzentration Dh des Abgases, welches von dem Verdünner 26 abgegeben wird, rapide an (siehe Zeitphase Tp62 in 6). Wenn dann die Steuerung der Steuerungseinheit 70 bezüglich der Wasserstoffkonzentration eingefügt wird, nimmt diese ab (siehe Zeitphase Tp63 in 6). Dann wird anschließend die Wasserstoffkonzentration Dh des von dem Verdünner 26 abgegebenen Abgases niedriger als ein bestimmter Wert gehalten (siehe Zeitphase Tp64 in 6).
  • Wenn das Zuführvolumen von Kathoden-Abgas pro Zeiteinheit festgelegt ist, ist die Wasserstoffkonzentration des von dem Verdünner 26 abgegebenen Abgases proportional zu dem Volumen pro Zeiteinheit von Gas, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Außerdem ist das Gasvolumen pro Zeiteinheit, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, proportional zu der Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Ein-Aus-Ventils 50. Der Druck außerhalb des Ein-Aus-Ventils 50, insbesondere der Druck Pe innerhalb des Gas-Flüssigkeits-Abgaspfades 64 und des Verdünners 26, kann basierend auf den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems festgestellt werden. Dabei kann der Druck innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50, wie zuvor beschrieben, basierend auf dem Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62, insbesondere der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 22, festgestellt werden. Daher steuert die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis D6 des Injektors 62 derart, dass die Differenz zwischen dem Druck innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 und dem Druck Pe des Gas-Flüssigkeits-Abgaspfades 64 kleiner als ein bestimmter Wert ist, welcher mit der Wasserstoffkonzentration 3,9% von Abgas nach der Verdünnung korreliert.
  • 7 ist ein Graph, welcher Veränderungen der Ventil-Öffnungszeit zeigt. Die vertikale Achse stellt das Volumen pro Zeiteinheit des Gases dar, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Die horizontale Achse stellt die Zeit dar. Wie zuvor beschrieben ist, wird die Zeit Tvo, zu welcher das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet ist, basierend auf dem Ventil-Kennfeld Mv eingestellt. Die Ventil-Öffnungs-Steuerinhalte werden beispielsweise basierend auf dem Ventil-Kennfeld Mv derart eingestellt, dass das Ein-Aus-Ventil 50 für die Zeitphase Tvo öffnet.
  • Jedoch können in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennstoffzelle 22 danach Fälle auftreten, dass es nicht möglich ist, Verunreinigungen durch die bzw. während der Zeit Tvo, welche basierend auf dem Ventil-Kennfeld Mv eingestellt ist, ausreichend nach außerhalb des Systems abzugeben, während die Wasserstoffkonzentration des Abgases nach der Verdünnung auf weniger als 3,9% gehalten wird. Um Verunreinigungen zu der Zeit Tvo ausreichend nach außerhalb des Systems abzugeben ist es insbesondere notwendig, dass das Wasserstoffgas-Abgabevolumen pro Zeiteinheit Qo ist, und in diesem Fall treten Fälle auf, bei denen die Wasserstoffkonzentration des Abgases nach der Verdünnung 3,9% überschreitet. In solch einem Fall, wie zuvor beschrieben, erweitert die Steuerungseinheit 70 die Zeit für das Öffnen des Ein-Aus-Ventils 50 von der Zeit Tvo, welche basierend auf dem Ventil-Kennfeld Mv eingestellt ist, während das Tastverhältnis D6 des Injektors 62 derart gesteuert wird, dass die Wasserstoffkonzentration des Abgases nach der Verdünnung niedriger als 3,9% sein kann. Folglich wird jeder Teil derart gesteuert, dass das Abgasvolumen pro Zeiteinheit gleich Qor ist (Qor < Qo), und das Ein-Aus-Ventil 50 für die Zeit Tvor offen ist (Tvor > Tvo).
  • Durch das Durchführen dieser Art von Steuerung ist es möglich, Abgasverunreinigungen von dem Brenngas-Zirkulations-System abzugeben und zu veranlassen, dass die Konzentration des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, ein festgelegter Wert oder größer ist, während die Wasserstoffkonzentration des Abgases nach der Verdünnung niedriger als ein bestimmter Wert gehalten wird.
  • B. Zweite Ausführungsform:
  • Bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform sind die Inhalte der Rückführungs-Steuerung des Injektors 62 zum Aufrechterhalten des Ziel-Druckes, das Verfahren zum Erfassen, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet hat (siehe Zeitpunkt t4 in 4), und das Verfahren des Entscheidens der Zeit bzw. Steuerzeit zum Schließen des Ein-Aus-Ventils 50 zu dem Brennstoffzellensystem 10 der ersten Ausführungsform unterschiedlich. Die anderen Punkte des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform, einschließlich der Hardware-Konfiguration, sind gleich wie bei dem Brennstoffzellensystem 10 bei der ersten Ausführungsform.
  • B.1 Injektor-Steuerung und Erfassung des offenen Ventils zum Aufrechterhalten des Standarddrucks:
  • 8 ist ein Diagramm, welches die Steuerinhalte des Injektors 62 zeigt, welche durch die Steuerungseinheit 70 bei der zweiten Ausführungsform durchgeführt werden. In 8 stellen die gleichen Bezugszeichen wie in 4 die gleichen Objekte wie in 4 dar. In 8 sind der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors und das Tastverhältnis Di der ersten Ausführungsform als Referenz mit unterbrochenen Linien gezeigt.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird bei der Steuerung des Injektors 62, um den Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors auf den Ziel-Druck zu steuern, eine Rückführungs-Steuerung bei einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit als bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Bei der zweiten Ausführungsform wird die Rückführungs-Steuerung des Injektors 62 mit einem Signal, welches die Differenz zwischen dem Wasserstoffgas-Druck Po, welcher auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 durch den Drucksensor 66b gemessen wird, und dem Ziel-Druck darstellt, als das Rückführungs-Signal durchgeführt.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird das Ein-Aus-Ventil 50 zum Zeitpunkt t3 geöffnet und das Abgeben von Wasser und Gas beginnt. Wenn der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 allmählich abnimmt, setzt die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di auf einen höheren Wert. Dann stellt die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di derart ein, dass der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 auf P2 gehalten wird, was dem Ziel-Druck entspricht. Folglich nimmt der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 nahezu überhaupt nicht ab und das Tastverhältnis Di des Injektors 62 verändert sich von D2 auf D2f (D2f > D2) (siehe Zeitphase Tp3 in 8).
  • Wenn durch Rückführungs-Steuerung erfasst wird, dass das Tastverhältnis Di des Injektors 62 einen höheren Wert als die bestimmte Schwelle Thd erreicht hat, hebt die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 auf ein höheres D3a (Df2 < D3a < D3) (Zeitpunkt t4 in 8). Als der Schwellenwert Thd wird ein Wert eingestellt, welcher größer als das Tastverhältnis D2 ist, bevor das Ein-Aus-Ventil 50 öffnet, und ebenso kleiner als das Tastverhältnis D2f ist, welches bei dem Ausgangszustand angenommen wird, nachdem das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet hat. Wenn das Tastverhältnis Di des Injektors 62 auf D3a eingestellt ist, wird der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 zu der Zeitphase Tp4 von P2 auf P5 erhöht (P5 > P0).
  • Bei solch einem Aspekt ist es ohne das Verwenden des Messwertes des Drucksensors 66b wie bei der ersten Ausführungsform möglich, basierend auf dem Steuerzustand des Injektors 62 (insbesondere des Tastverhältnisses) zu erfassen (siehe Zeitphase Tp3), dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet hat, und zu veranlassen, dass der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 höher ist als bevor das Ventil öffnet (siehe Zeitphase Tp4).
  • B2. Ventil-Schließ-Entscheidung:
  • Bei der zweiten Ausführungsform schließt die Steuerungseinheit 70 das Ein-Aus-Ventil 50, selbst wenn die Zeit, seitdem das Ventil geöffnet wurde, die Zeit Tvo, welche gemäß des Ventil-Kennfeldes Mv eingestellt ist, nicht erreicht hat, wenn die nachfolgend beschriebenen Bedingungen erfüllt sind.
  • (i) Durchschnittliches Molekulargewicht von Gas, welches von dem Ein-Aus-Ventil abgegeben wird:
  • Das Gas innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 enthält Wasserstoffgas als das Brenngas und Stickstoffgas und Wasserdampf als Verunreinigungen. Das Molekulargewicht des Wasserstoffgases beträgt 2. Das Molekulargewicht des Stickstoffgases beträgt 14. Das Molekulargewicht des Wasserdampfes (Wasser) beträgt 18. Entsprechend beträgt das durchschnittliche Molekulargewicht des von dem Abgasventil abgegebenen Gases 2 bis 18. Dabei beträgt das Molekulargewicht des Wasserstoffgases als das Brenngas 2.
  • 9 ist ein Graph, welcher die Inhalte bzw. die Zusammensetzung des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases zeigt, unmittelbar nachdem das Ein-Aus-Ventils 50 geöffnet wird, und die Inhalte bzw. die Zusammensetzung des von innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 abgegebenen Gases zeigt, unmittelbar bevor das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen wird. In 9 stellt die vertikale Achse das Strömungsvolumen von Gas pro Zeiteinheit dar. Der Graph auf der rechten Seite stellt die Inhalte des Gases dar, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, unmittelbar nachdem das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wird. Der Graph auf der linken Seite stellt die Inhalte des Gases dar, welches von innerhalb des Ein-Aus-Ventils 50 abgegeben wird, unmittelbar bevor das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen wird.
  • Während der offenen Ventilzeit bei dem Ein-Aus-Ventil 50 wird Gas mit einem hohen Betrag von Verunreinigungen von dem Brenngas-Zirkulations-System mittels des Abgasventils abgegeben, und wenn diesem System Hochdruck-Brenngas von dem Wasserstofftank 23 zugeführt wird (siehe Zeitphasen Tp5 und Tp8 in 8), nimmt innerhalb des Systems das Volumen von Stickstoffgas ab und das Volumen von Wasserstoffgas steigt an (siehe 9). Wenn das Leistungserzeugungsvolumen bei der Brennstoffzelle 22 nicht verändert wird, verändert sich das Wasser-Erzeugungsvolumen pro Zeiteinheit nicht. Entsprechend verändert sich das Wasservolumen bei dem Graphen in 9 nicht.
  • Wenn der Austausch des Gases in dem Brenngas-Zirkulations-System, wie dem vorstehend angegebenen, voranschreitet, nähert sich das durchschnittliche Molekulargewicht m des mittels des Ein-Aus-Ventils 50 abgegebenen Gases allmählich dem Molekulargewicht 2 von Wasserstoff an. Das durchschnittliche Molekulargewicht m wird insbesondere allmählich kleiner. Wenn das durchschnittliche Molekulargewicht m kleiner als ein bestimmter Wert wird, ist es möglich zu ermitteln, dass die Verunreinigungen von dem Brenngas-Zirkulations-System ausreichend abgegeben wurden.
  • Dabei ist die Quadratwurzel des durchschnittlichen Molekulargewichts m des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases proportional zu dem Strömungsvolumen Q pro Zeiteinheit des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases. Nachfolgend wird das Verfahren zum Einstellen des Strömungsvolumens Q pro Zeiteinheit des von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegebenen Gases, aufgeteilt in Stickstoffgas, Wasserdampf und Wasserstoff, beschrieben.
  • (ii) Volumen pro Zeiteinheit von Stickstoffgas, welches von dem Ein-Aus-Ventil abgegeben wird:
  • 10 ist eine Zeichnung, welche das Kennfeld Mn bezüglich der Menge pro Zeiteinheit von Stickstoffgas qn darstellt, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Die vertikale Achse von 10 stellt die Menge pro Zeiteinheit von Stickstoffgas qn dar, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Die horizontale Achse der stellt die Temperatur des Kühlwassers Tw der Brennstoffzelle 22 dar. Von den Gasen, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, mischt sich hauptsächlich der Stickstoff aufgrund von einer Kreuzungs-Leckage, welche bei der Brennstoffzelle 22 auftritt, in das Brenngas-Zirkulations-System. Das Volumen der Stickstoff-Kreuzungs-Leckage korreliert mit der Temperatur der Brennstoffzelle 22. Außerdem kann die Temperatur der Brennstoffzelle 22 basierend auf der Kühlwasser-Temperatur Tw eingestellt werden, welche durch den in dem Kühlwasserpfad 41 vorgesehenen Temperatursensor 43 erfasst wird.
  • Daher ist es möglich, sobald die Konfiguration des Brennstoffzellensystems entschieden ist, ein Kennfeld Mn (siehe 10) zum Einstellen des Volumens pro Zeiteinheit von Stickstoffgas qn, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, zu erzeugen. Die Steuerungseinheit 70 hält ein Kennfeld Mn für Stickstoffgas bereit, welches auf diese Art und Weise im Vorhinein vorgesehen ist.
  • (iii) Volumen pro Zeiteinheit von Wasserdampf, welcher von dem Ein-Aus-Ventil abgegeben wird:
  • 11 ist eine Abbildung, welche Kennfelder Mw1, Mw2 und Mw3 bezüglich der Menge von Wasserdampf qw pro Zeiteinheit darstellt, welcher von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Die vertikale Achse in 11 stellt das Volumen pro Zeiteinheit von Wasser qw dar, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Die horizontale Achse in 11 stellt das Leistungserzeugungvolumen Pg pro Zeiteinheit der Brennstoffzelle 22 dar. Von den Gasen, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, liegt aufgrund des Wassers, welches durch die Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle 22 erzeugt wird, hauptsächlich Wasserdampf vor. Diese Wasserdampfmenge korreliert mit dem Leistungserzeugungvolumen Pg bei der Brennstoffzelle 22 und der Temperatur der Brennstoffzelle 22. Das Leistungserzeugungvolumen bei der Brennstoffzelle 22 kann basierend auf dem Volumen eingestellt werden, welches durch Ausführen einer Integration des Stromvolumens erhalten wird, das durch den Strommesser 35 durch die Zeitphase für die Zeiteinheit erfasst wird. Die Temperatur der Brennstoffzelle 22 kann basierend auf der Kühlwassertemperatur Tw eingestellt sein, welche durch den Temperatursensor 43 erfasst wird.
  • Daher ist es möglich, sobald die Konfiguration des Brennstoffzellensystems entschieden ist, die Kennfelder Mw1, Mw2 und Mw3 (siehe 11) zum Einstellen der Menge von Wasserdampf qw pro Zeiteinheit, welcher von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, aus dem Leistungserzeugungvolumen der Brennstoffzelle 22 (Stromvolumen) und der Kühlwassertemperatur Tw der Brennstoffzelle 22 zu erzeugen. Die Kennfelder Mw1, Mw2 und Mw3, welche jeweils die Beziehung des Leistungserzeugungvolumens Pg und des Wasserdampfvolumens darstellen, entsprechen gegenseitig unterschiedlichen Kühlwassertemperaturen Tw1, Tw2 und Tw3 (Tw1 < Tw2 < Tw3). Hierbei sind, um die Technologie leichter verständlich zu machen, lediglich drei Kennfelder gezeigt, welche die Beziehung des Leistungserzeugungvolumens Pg und des Wasserdampfvolumens darstellen. Tatsächlich wird jedoch eine größere Anzahl von Kennfeldern erzeugt. Diese Kennfelder, welche die Beziehung des Leistungserzeugungvolumens Pg und des Wasserdampfvolumens darstellen, werden gemeinschaftlich als Wasserdampf-Kennfelder Mw bezeichnet. Die Steuerungseinheit 70 hält die Wasserdampf-Kennfelder Mw, welche im Vorhinein vorgesehen werden, bereit.
  • (iv) Volumen pro Zeiteinheit von Wasserstoffgas, welches von dem Ein-Aus-Ventil abgegeben wird:
  • Von den Gasen, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, wird das Volumen von Wasserstoffgas als die Differenz zwischen dem Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle 22 mittels des Injektors 62 zugeführt wird, und dem Wasserstoff, welcher durch die Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle 22 verbraucht wird, erhalten. Außerdem kann das Volumen von Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle 22 mittels des Injektors 62 zugeführt wird, basierend auf dem Volumen erhalten werden, welches durch Ausführen einer Integration der Druckdifferenz vor und nach dem Injektor 62 durch die Zeitphase für die Zeiteinheit ermittelt wird. Hierbei kann der Druck auf der stromaufwärtigen Seite des Injektors 62 durch den Drucksensor 66a erhalten werden. Der Druck auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 kann durch den Drucksensor 66b erhalten werden. Außerdem kann das Volumen von Wasserstoff, welcher durch die Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle 22 verbraucht wird, basierend auf dem Leistungserzeugungsvolumen bei der Brennstoffzelle 22 eingestellt werden. Außerdem kann das Leistungserzeugungsvolumen bei der Brennstoffzelle 22 basierend auf dem Volumen eingestellt werden, welches durch Ausführen einer Integration des Stromvolumens über die Zeit erhalten wird, das durch den Strommesser 35 erfasst wird.
  • Daher ist es möglich, sobald die Konfiguration des Brennstoffzellensystems entschieden ist, das Kennfeld Mh zum Einstellen der Menge pro Zeiteinheit von Wasserstoffgas qh, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird, aus dem Leistungserzeugungsvolumen (Stromvolumen) der Brennstoffzelle 22, der Kühlwassertemperatur Tw und den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Drücken des Injektors 62 zu schaffen. Die Steuerungseinheit 70 hält das Kennfeld Mh für Wasserstoffgas, welches auf diese Art und Weise im Vorhinein vorgesehen ist, bereit.
  • (v) Ventil-Schließ-Entscheidung
  • Aus dem Vorstehenden, mit Bezug auf die Kennfelder Mn, Mw und Mh, ist die Steuerungseinheit 70 in der Lage, eine Strömungsmenge Q pro Zeiteinheit der Gase, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, aus der Temperatur des Kühlwassers, welche durch den Temperatursensor 43 erfasst wird, dem Stromvolumen, welches durch den Strommesser 35 erfasst wird, und den Drücken, welche durch die Drucksensoren 66a und 66b erfasst werden, zu erhalten.
  • Bei der zweiten Ausführungsform berechnet die Steuerungseinheit 70 den Parameter Pvc basierend auf der Temperatur des Kühlwassers, welche durch den Temperatursensor 43 erfasst wird, dem Stromvolumen, welches durch den Strommesser 35 erfasst wird, und den Drücken, welche durch die Drucksensoren 66a und 66b erfasst werden. Dieser Parameter Pvc stellt das Strömungsvolumen Q pro Zeiteinheit von Gas dar, welches von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben wird. Daher ist der Parameter Pvc proportional zu der Quadratwurzel des durchschnittlichen Molekulargewichts m der Gase, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden.
  • Die Steuerungseinheit 70 die Steuerungseinheit 70 schließt das Ein-Aus-Ventil 50 (siehe Zeitpunkt t10b in 8), wenn der Parameter Pvc einen bestimmten Schwellenwert Thc unterschreitet, selbst wenn die Zeit von der Ventilöffnung die Zeit Tvo, welche gemäß des Ventil-Kennfeldes Mv ermittelt wird, nicht erreicht hat. Unter Verwendung dieser Art und Weise kann das Ein-Aus-Ventil 50 geschlossen werden, wenn das durchschnittliche Molekulargewicht m der Gase, welche von dem Ein-Aus-Ventil 50 abgegeben werden, kleiner als der bestimmter Wert wird, und die Verunreinigungen von den Gasen, welche in dem Brenngas-Zirkulations-System zirkulieren, ausreichend abgegeben sind. Entsprechend ist es möglich zu verhindern, dass das Wasserstoffgas als Brenngas von dem Brenngas-Zirkulations-System übermäßig abgegeben wird. Es ist ebenso möglich zu verhindern, dass hoch konzentriertes Wasserstoffgas von dem Brenngas-Zirkulations-System abgegeben wird.
  • Bei der zweiten Ausführungsform sind die nachfolgenden Punkte gleich wie bei der ersten Ausführungsform (siehe Zeitpunkt t9b in 8): vor dem Zeitpunkt t10b zum Schließen des Ein-Aus-Ventils 50 wird das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von dem Tastverhältnis D6 auf D0 reduziert und der Druck des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 wird reduziert. Von den Zeitpunkten oder Zeitphasen, welche in 8 gezeigt sind, ist bei den Positionen, welche mit den in 4 gezeigten Zeitpunkten oder Zeitphasen korrelieren, am Ende ein „b” angehängt.
  • C. Modifikationsbeispiele:
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsformen oder Arten beschränkt und es können verschiedene Arten in einem Anwendungsbereich verwirklicht werden, welcher von deren Hauptkonzept nicht abweicht, wobei beispielsweise Modifikationen wie die nachfolgenden möglich sind.
  • C1. Modifikationsbeispiel 1:
  • Bei den vorstehend angegebenen Ausführungsformen wird durch Erfassen der Tatsache, dass die Abnahme pro Zeiteinheit des Druckes Po auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62, nachdem das Ventil geöffnet ist, größer als der bestimmte Schwellenwert Tr6 ist, der Abschluss des Abgebens von flüssigem Wasser erfasst und das Tastverhältnis Di wird erhöht (siehe Tp6 in 4 und 8). Jedoch kann der Zeitpunkt, zu welchem das Tastverhältnis Di erhöht wird, ebenso im Vorhinein eingestellt sein.
  • 12 ist ein Graph, welcher die Menge an flüssigem Wasser qL zeigt, welches von dem Flüssigkeits-Separator 27 abgegeben werden soll. Das flüssige Wasser, welches von dem Flüssigkeits-Separator 27 abgegeben werden soll, liegt aufgrund des Wassers, welches durch die Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle 22 erzeugt wird, hauptsächlich vor. Die Menge an flüssigem Wasser qL, welches abgegeben werden soll, korreliert mit dem Leistungserzeugungsvolumen bei der Brennstoffzelle 22 und der Temperatur der Brennstoffzelle 22. Beispielsweise steigt, wenn das Leistungserzeugungsvolumen (Stromvolumen) und die Temperatur der Brennstoffzelle 22 (Kühlwassertemperatur) festgelegt sind, wie in 12 gezeigt ist, die Wassermenge qL, welche abgegeben werden soll, im Zeitverlauf an. Das Stromvolumen kann durch den Strommesser 35 erfasst werden. Die Temperatur der Brennstoffzelle 22 kann basierend auf der Kühlwassertemperatur Tw, welche durch den Temperatursensor 43 erfasst wird, eingestellt werden.
  • Daher ist es möglich, sobald die Konfiguration des Brennstoffzellensystems entschieden ist, die Kennfelder ML1, ML2 und ML3 (siehe 12) zum Einstellen der Menge qL von flüssigem Wasser, welches abgegeben werden soll, aus dem Leistungserzeugungsvolumen (Stromvolumen) der Brennstoffzelle 22 und der Kühlwassertemperatur Tw der Brennstoffzelle 22 zu schaffen. Die Kennfelder ML1, ML2 und ML3, welche jeweils die Beziehung der verstrichen Zeit und der Wassermenge qL darstellen, entsprechend gegenseitig unterschiedlichen Stromwerten TL1, TL2 und TL3 (TL1 < TL2 < TL3). Hierbei sind, um die Technologie leichter verständlich zu machen, lediglich drei Kennfelder gezeigt, welche die Beziehung der verstrichenen Zeit und der Wassermenge qL darstellen. Tatsächlich wird jedoch eine größere Anzahl von Kennfelder erzeugt. Die Kennfelder, welche die Beziehung zwischen der verstrichenen Zeit und dem Wasserdampfvolumen darstellen, werden gemeinschaftlich als Wasserdampf-Kennfelder ML bezeichnet. Die Steuerungseinheit 70 hält die Wasserdampf-Kennfelder ML, welche im Vorhinein vorgesehen werden, bereit, und basierend auf diesen ist es möglich, den Zeitpunkt zum Erhöhen des Tastverhältnisses Di einzustellen (siehe t4 in 4 und 8).
  • C2. Modifikationsbeispiel 2:
  • Bei der vorstehend angegebenen Ausführungsform ist das Bauelement, welches das im Druck angepasste Brenngas der Brennstoffzelle 22 zuführt, der Injektor 62, welcher in der Lage einer PWM-Steuerung ist. Der Aufbau zum Zuführen von im Druck angepasstem Brenngas zu der Brennstoffzelle 22 kann jedoch ein Druck-Regelventil sein, welches ein anderes Verfahren verwendet.
  • C3. Modifikationsbeispiel 3:
  • Bei der vorstehend angegebenen zweiten Ausführungsform wurde die Tatsache, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wurde, basierend auf dem Tastverhältnis Di des Injektors 62 erfasst (siehe Zeitphase Tp3 in 8). Die Tatsache, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet ist, kann jedoch ebenso unter Verwendung eines anderen Verfahrens erfasst werden. Es ist beispielsweise ebenso möglich, die Tatsache, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wurde, durch das Erfassen, dass die Differenz zwischen dem Druck Po des Wasserstoffgases, welcher durch den Drucksensor 66b auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 gemessen wird, und dem Ziel-Druck größer als der bestimmte Wert wurde, zu erfassen. Konkret ist es möglich, diese Art von Steuerung durch Überwachen der Rückführungs-Signale des Injektors 62 durchzuführen.
  • Auch mit dieser Art und Weise ist es ohne das Verwenden eines Messwertes des Drucksensors 66b, wie bei der ersten Ausführungsform, möglich, zu erfassen, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet hat und zu veranlassen, dass der Druck Po des Wasserstoffgases auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 höher ist als bevor das Ventil öffnete.
  • C4. Modifikationsbeispiel 4:
  • Bei der vorstehend angegebenen ersten Ausführungsform wird durch Erfassen der Druckveränderungen zwischen dem Injektor 62 und der Brennstoffzelle 22 unter Verwendung des Drucksensors 66b die Tatsache erfasst, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wurde (siehe Zeitphase Tp3 in 4). Jedoch kann der Drucksensor zum Erfassen, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wurde, ebenso bei einer unterschiedlichen Seite, wie der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 22 oder dergleichen, vorgesehen sein. Es ist insbesondere ebenso möglich, einen Sensor zu verwenden, welcher den Druck von Brenngas misst, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, oder einen Sensor zu verwenden, welcher den Druck von Brenngas misst, welches von der Brennstoffzelle abgegeben wird.
  • Der Drucksensor zum Erfassen, dass das Ein-Aus-Ventil 50 geöffnet wurde, kann auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 als die Druck-Steuerungseinheit vorgesehen sein. Es ist jedoch vorzuziehen, dass der Drucksensor auf der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffzelle 22 vorgesehen ist. Unter Verwendung dieser Art und Weise ist es möglich, die Situation einer Drucksensor-Fehlfunktion durch einfrierendes Wasser, welches in dem Anodengas-Zirkulations-System enthalten ist, zu vermeiden.
  • C5. Modifikationsbeispiel 5:
  • Bei der vorstehend angegebenen ersten Ausführungsform erhöht die Steuerungseinheit 70 das Tastverhältnis Di des Injektors 62 von D4 auf D5, wenn ermittelt wird, dass die Abnahme des Druckes Po auf der stromabwärtigen Seite des Injektors 62 pro Zeiteinheit größer als der bestimmte Schwellenwert Tr6 wurde (siehe Zeitphasen Tp6 und Tp7 in 4). Jedoch kann, nachdem Wasser abgegeben ist, die Zeit bzw. Steuerzeit des Anhebens des Tastverhältnisses Di des Injektors 62 ebenso unter Verwendung eines anderen Verfahrens erfasst werden.
  • Es ist beispielsweise ebenso möglich, eine Art zu verwenden, wobei die Tatsache, dass der Druck des Brenngas-Zirkulations-Systems mehr als ein bestimmter Wert abgenommen hat, erfasst wird und die Druck-Steuerungseinheit anschließend den Druck erhöht. Außerdem ist es möglich, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit der Rückführungs-Steuerung der Druck-Steuerungseinheit ausreichend schnell ist, wie bei der Erfassung des offenen Ventils bei der zweiten Ausführungsform, eine Wasser-Abgabe basierend auf dem Zustand der Druck-Steuerungseinheit (Betrieb Di) oder den Rückführungs-Signalen zu erfassen. Nachdem das Ventil geöffnet ist, ist es ebenso möglich anzunehmen, dass die Wasser-Abgabe durch den Verlauf einer bestimmten Zeit abgeschlossen ist, und die nachfolgende Steuerung durchzuführen.
  • Für die Verfahren zum Erfassen der Ventilöffnung, welche mit Hilfe den Ausführungsformen und Modifikationsbeispielen beschrieben sind (siehe Zeitphase Tp3 in 4 und 8), und für die Verfahren zum Erfassen der Wasser-Abgabe (siehe Zeitphase Tp6 in 4 und 8) ist es möglich, andere Verfahren für deren entsprechende Aufgaben anzuwenden.
  • C6. Modifikationsbeispiel 6:
  • Bei den vorstehend angegebenen Ausführungsformen wird die Temperatur der Brennstoffzelle 22 basierend auf der Kühlwassertemperatur Tw eingestellt. Die Temperatur der Brennstoffzelle 22 kann jedoch unter Verwendung eines anderen Verfahrens eingestellt werden. Außerdem kann die Temperatur der Brennstoffzelle 22 basierend auf der Temperatur eines weiteren Bauelements eingestellt werden, für welches die Temperatur eine Korrelation mit der Temperatur der Brennstoffzelle 22 besitzt (zum Beispiel Kühlwasser oder eine Kühlwasser-Leitung, oder eine andere Struktur, welche an der Brennstoffzelle 22 angebracht ist).
  • C7. Modifikationsbeispiel 7:
  • Vorstehend ist die Erfindung dieser Anmeldung mit Bezug auf bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen detailliert beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Konfigurationen beschränkt. Die vorliegende Erfindung enthält außerdem verschiedene Modifikationen und äquivalente Konfigurationen. Darüber hinaus wurden die verschiedenen Bauelemente der offenbarten Erfindung mit verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen offenbart, diese stellen jedoch beispielhafte Einheiten dar und es ist ebenso möglich, dass mehrere Bauelemente oder weniger Bauelemente vorliegen. Es ist außerdem möglich, das lediglich ein Bauelement vorliegt. Diese Arten sind innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung dieser Anmeldung enthalten.

Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, eine Druck-Steuerungseinheit, welche bei einem Brenngas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem Brenngas strömt, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, wobei die Druck-Steuerungseinheit in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu steuern, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein Abgasventil, welches bei einem Brenn-Abgas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brenn-Abgas strömt, wobei das Abgasventil in der Lage ist, zumindest einen Teil des Brenn-Abgases nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abzugeben, wenn das Abgasventil geöffnet ist, und eine Steuerungseinheit, welche das Brennstoff-System steuert, wobei die Steuerungseinheit das Abgasventil öffnet, wenn der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein erster Druck ist, und die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, so dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, zumindest für eine bestimmte Zeitphase nachdem das Abgasventil geöffnet ist, ein zweiter Druck ist, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit eine Rückführungs-Steuerung der Druck-Steuerungseinheit derart durchführt, dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein bestimmter Druck bleibt, wenn Leistungserzeugung bei der Brennstoffzelle durchgeführt wird, und basierend auf einer Veränderung eines Rückführungs-Signals bei der Rückführungs-Steuerung und/oder eines Betriebszustandes der Druck-Steuerungseinheit erfasst, dass das Abgasventil geöffnet hat, und den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, auf den zweiten Druck einstellt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Drucksensor zum Erfassen von Drücken des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und/oder des Brenn-Abgases stromabwärts der Druck-Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit basierend auf einer Abnahme eines Messwertes, welcher durch den Drucksensor erhalten wird, erfasst, dass das Abgasventil geöffnet hat.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuerungseinheit nach dem Einstellen des Druckes des Brenngases auf den zweiten Druck, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, in einem Zustand mit geöffnetem Abgasventil ein dritter Druck ist, wobei der dritte Druck höher als der zweite Druck ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, abhängig von Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen Drucksensor zum Erfassen von Drücken des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und/oder des Brenn-Abgases stromabwärts der Druck-Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit den Vorgang des Einstellens des Druckes des Brenngases auf den dritten Druck, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, durchführt, nachdem die Abnahme des Messwertes, welcher durch den Drucksensor in einer bestimmten Zeitphase erhalten wird, einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen Zirkulations-Strömungspfad, welcher einen Teil des Abgases, welches innerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades strömt, zu dem Brenngas-Strömungspfad zurückführt, einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle, einen Strommesser zum Ermitteln des von der Brennstoffzelle strömenden Stromvolumens, einen ersten Drucksensor, welcher einen Druck des Brenngases misst, welches von einer Brenngas-Zuführquelle zu der Druck-Steuerungseinheit geführt wird, und einen zweiten Drucksensor, welcher einen Druck des Brenngases misst, welches von der Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle geführt wird, wobei die Druck-Steuerungseinheit ein Injektor ist, welcher in dem Brenngas-Strömungspfad zwischen der Brenngas-Zuführquelle und der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei der Injektor in der Lage ist, Wasserstoffgas als Brenngas, welches von der Brenngas-Zuführquelle zu der Brennstoffzelle geführt wird, mit einem gesteuerten Druck zuzuführen, wobei die Steuerungseinheit während des Abgebens von Gas von dem Abgasventil, Brenngas, welches von der Brenngas-Zuführquelle zugeführt wird, mittels der Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle führt, wenn das Ventil offen ist, und wenn ein Parameter unter einen bestimmten Wert fällt, das Abgasventil schließt, wobei der Parameter basierend auf dem Druck des Brenngases, welches von der Brenngas-Zuführquelle zu der Druck-Steuerungseinheit geführt wird, dem Druck des Brenngases, welches durch die Druck-Steuerungseinheit zu der Brennstoffzelle geführt wird, der Temperatur der Brennstoffzelle und dem Strom, welchen die Brennstoffzelle ausgibt, erhalten wird.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerungseinheit die Druck-Steuerungseinheit derart steuert, um den Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, vor dem Schließen des Abgasventils zu senken, und das Abgasventil in einem Zustand, bei welchem der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, gesenkt ist, schließt.
  8. Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle, eine Druck-Steuerungseinheit, welche bei einem Brenngas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem Brenngas strömt, das der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, wobei die Druck-Steuerungseinheit in der Lage ist, einen Druck des Brenngases zu steuern, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, und ein Abgasventil, welches bei einem Brenn-Abgas-Strömungspfad vorgesehen ist, in welchem von der Brennstoffzelle abgegebenes Brenn-Abgas strömt, wobei das Abgasventil in der Lage ist, zumindest einen Teil des Brenn-Abgases nach außerhalb des Brenn-Abgas-Strömungspfades abzugeben, wenn das Abgasventil geöffnet ist, und wobei das Verfahren aufweist (a) einen Schritt des Öffnens des Abgasventils, wenn der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, ein erster Druck ist, und (b) einen Schritt des Steuerns der Druck-Steuerungseinheit, so dass der Druck des Brenngases, welches der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, ein zweiter Druck ist, nachdem das Abgasventil geöffnet ist, wobei der zweite Druck höher als der erste Druck ist.
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