DE102013209200A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches dazu in der Lage ist, eine Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit während eines Starts polarisiert zu sein. Ein Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine erste Einspritzeinrichtung 23A und eine zweite Einspritzeinrichtung 23B in einem Brennstoffgas-Einlassdurchgang. Wenn eine ECU 60 bestimmt, dass eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer bei einem Start eines Brennstoffzellenstapels 10 ist, wird ein Solldruck von Wasserstoff, welcher an einen Anodendurchgang 12 zugeführt wird, gesetzt, um für eine Zufuhr höher zu sein, als wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit kleiner als die vorbestimmte Dauer ist. Außerdem wird, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels 10 verlängert, der Solldruck gesetzt, um höher zu sein. Zudem wird eine Druckerhöhung in dem Brennstoffzellenstapel gesetzt, um niedriger zu sein als diejenige während einer normalen Leistungserzeugung.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches ein An-Aus-Ventil, wie etwa eine Einspritzeinrichtung in einem Brennstoff-Zufuhrdurchgang, aufweist.
  • HINTERGRUND
  • JP2007-323873A offenbart, dass ein Druckpegel eines Brennstoffgases stromauf von einer Einspritzeinrichtung bei einem Start niedriger ist als derjenige während eines Normalbetriebs einer Brennstoffzelle.
  • In dem in JP2007-323873A offenbarten Brennstoffzellensystem bewirkt jedoch ein niedrigerer Druck stromauf von einer Einspritzeinrichtung, wenn inneres Gas eines Anodendurchgangs in einer Brennstoffzelle mit Luft ersetzt wird und der Anodendurchgang und ein Kathodendurchgang jeweils die Luft während eines Starts aufweisen, ein vermindertes Einspritzvolumen der Einspritzeinrichtung und ergibt eine Verzögerung, um die Luft in dem Anodendurchgang durch Wasserstoff zu ersetzen. Nachteiligerweise bewirkt dies, dass die Brennstoffzelle bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung löst die obigen bisherigen Probleme. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches dazu in der Lage ist, eine Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit bei ihrem Start polarisiert zu sein.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem bereit, umfassend eine Brennstoffzelle, welche einen Anodendurchgang, durch den Brennstoffgas an eine Anode zugeführt wird, und einen Kathodendurchgang, durch den Oxidationsmittelgas an eine Kathode zugeführt wird, aufweist, einen Brennstoffgas-Einlassdurchgang, durch welchen das Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingespritzt wird, einen Brennstoffabgas-Auslassdurchgang, durch welchen Brennstoffabgas von der Brennstoffzelle abgeführt wird, eine Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit, welche an dem Brennstoffgas-Einlassdurchgang angeordnet ist und einen Druck des Brennstoffgases einstellt, um das Brennstoffgas dem Anodendurchgang zuzuführen, eine Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit, welche bei einem Start der Brennstoffzelle bestimmt, ob inneres Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird oder nicht, und eine Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit, welche eine Zufuhr des Brennstoffgases an den Anodendurchgang regelt/steuert, während sie einen Solldruck des an den Anodendurchgang zugeführten Brennstoffgases unter Verwendung der Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit derart setzt, dass er höher ist als ein Druck, wenn das innere Gas des Anodendurchgangs nicht mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, falls die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird.
  • Währenddessen kann inneres Gas eines Anodendurchgangs mit Oxidationsmittelgas während einer Leistungserzeugungs-Stillstandszeit einer Brennstoffzelle ersetzt werden und kann die Brennstoffzelle in Anwesenheit des Oxidationsmittelgases in sowohl dem Anodendurchgang als auch einem Kathodendurchgangs starten. In diesem Fall wird, wenn Brennstoffgas von durch einen Einlass des Anodendurchgangs zugeführt wird, ein Brennstoffgas-Konzentrationsunterschied zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodendurchgangs größer. Während dieser große Konzentrationsunterschied für eine lange Zeit gehalten wird, ist die Brennstoffzelle einem polarisierten Zustand bei hohem Potenzial für eine längere Dauer ausgesetzt. Es wurde somit erkannt, dass die obigen Zustände die Brennstoffzelle verschlechtern.
  • Wie hierin beschrieben, wenn die Brennstoffzelle in einem Zustand startet, wo inneres Gas in dem Anodendurchgang mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, wird der Solldruck (Zufuhrdruck) des an den Anodendurchgang zugeführten Brennstoffgases derart gesetzt, dass er höher ist als derjenige bei einem normalen Start und wird Mischen des Oxidationsmittelgases und des Brennstoffgases in dem Anodendurchgang begünstigt, was einen Brennstoffgas-Konzentrationsunterschied zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodendurchgangs rasant vermindert und es ermöglicht, die Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert zu sein.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass mit den Zuständen, bei welchen das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit der Brennstoffzelle ersetzt wird, Zustände gemeint sind, in welchen eine Zufuhr von Brennstoffgas an den Anodendurchgang beim nächsten Start der Brennstoffzelle einen Brennstoffgas-Konzentrationsunterschied zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodendurchgangs bewirkt (d. h., dass die Einlassseite eine hohe Konzentration aufweist und die Auslassseite eine niedrige Konzentration aufweist).
  • Des Weiteren bestimmt die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit, dass, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit vor dem Start der Brennstoffzelle gleich oder länger als eine vorbestimmte Dauer ist, das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird. Die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, der Solldruck derart gesetzt wird, dass er höher ist als ein Druck, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit kürzer als die vorbestimmte Dauer ist.
  • Gemäß dieser Konfiguration, falls eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit (d. h. in dem Fall, dass eine vorbestimmte Dauer oder länger vorliegt) lang wird, wird das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt. Folglich wird, wenn das Brennstoffzellensystem unter einer Bedingung startet, unter welcher sowohl der Anodendurchgang als auch der Kathodendurchgang Oxidationsmittelgas aufweisen, ein Solldruck (Zufuhrdruck) des an den Anodendurchgang bei Start zugeführten Brennstoffgases derart gesetzt, dass er höher ist als ein Druck während einer normalen Leistungserzeugung. Diese Konfiguration begünstigt das Mischen des Oxidationsmittelgases und des Brennstoffgases in dem Anodendurchgang. Dies ermöglicht es, die Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert zu sein.
  • Des Weiteren setzt die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit den Solldruck derart, dass er höher ist, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit der Brennstoffzelle verlängert.
  • Gemäß dieser Einstellung benötigt eine längere Leistungserzeugungs-Stillstandszeit eine längere Dauer, um das Oxidationsmittelgas und das Brennstoffgas in dem Anodendurchgang zu mischen. Der Solldruck sollte somit derart gesetzt werden, dass er höher ist. Die Notwendigkeit, den Solldruck unnötig (verschwenderisch) zu erhöhen, wird dann durch Einstellen eines geeigneten Solldrucks umgangen.
  • Ferner ist die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerhöhung in dem an den Anodendurchgang zugeführten Brennstoffgas derart gesetzt wird, dass sie, wenn das Brennstoffzellensystem startet, niedriger ist als eine Druckerhöhung während einer normalen Leistungserzeugung.
  • Nebenbei sei bemerkt, dass, falls ein Brennstoffgasdruck sofort einen Solldruck bei Start der Brennstoffzelle erreicht, eine Zufuhr des Brennstoffgases gestoppt wird, so dass ein Mischen von Oxidationsmittelgas und des Brennstoffgases nicht unterstützt wird. Indem die Druckerhöhung innerhalb einer Grenze gehalten wird, kann dann verhindert werden, dass die Zufuhr des Brennstoffgases auf halbem Weg gestoppt wird. Dies begünstigt die Mischung des Oxidationsmittelgases und des Brennstoffgases, wodurch sie in der Lage ist, die Brennstoffzelle definitiv daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert zu sein.
  • Das Brennstoffzellensystem kann zusätzlich umfassen: einen Verbindungsdurchgang, welcher den Brennstoffgas-Einlassdurchgang und den Brennstoffabgas-Auslassdurchgang verbindet; eine Zirkulationseinrichtung, welche teilweise durch den Verbindungsdurchgang hindurch angeordnet ist und das von einem Auslass des Anodendurchgangs abgeführte Brennstoffabgas an einen Einlass des Anodendurchgangs zurückführt und eine Zirkulationseinrichtungsbetrieb-Starteinheit, welche einen Betrieb der Zirkulationseinrichtung startet, bevor die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit das Brennstoffgas zuführt.
  • Gemäß dieser Konfiguration startet die Zirkulationseinrichtung vor einem Betrieb der Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit. Eine Gasströmung wird dann in einem Anodenzirkulationssystem (umfassend den Verbindungsdurchgang, den Brennstoffgas-Einlassdurchgang und den Brennstoffabgas-Auslassdurchgang) gebildet. Danach beginnt eine Zufuhr von frischem Brennstoffgas. Folglich kann ein Mischen des Oxidationsmittelgases und des Brennstoffgases weiter erleichtert werden.
  • Des Weiteren kann die Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit eine elektronisch geregelte/gesteuerte Einspritzeinrichtung sein.
  • Durch Verwenden der elektronisch geregelten/gesteuerten Einspritzeinrichtung als die Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit kann das System präziser geregelt/gesteuert werden.
  • Ferner kann die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit ein Ventil der Einspritzeinrichtung offen halten.
  • Diese Konfiguration ermöglicht es, Brennstoffgas kontinuierlich zuzuführen, während die Einspritzeinrichtung in einem Offenes-Ventil-Zustand gehalten wird, so dass das Oxidationsmittelgas und das Brennstoffgas effizienter gemischt werden können, als wenn das Brennstoffgas intermittierend zugeführt wird (d. h. intermittierende Zufuhr).
  • Darüber hinaus kann die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit betrieben werden, während eine Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer der Einspritzeinrichtung konstant gehalten wird.
  • Des Weiteren stellt ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereit, umfassend; eine Brennstoffzelle, welche einen Anodendurchgang, durch den Brennstoffgas an eine Anode zugeführt wird, und einen Kathodendurchgang, durch den Oxidationsmittelgas an eine Kathode zugeführt wird, aufweist; einen Brennstoffgas-Einlassdurchgang, durch welchen das Brennstoffgas in den Anodendurchgang eingespritzt wird; einen Brennstoffabgas-Auslassdurchgang, durch welchen Brennstoffabgas von dem Anodendurchgang abgeführt wird; eine Einspritzeinrichtung, welche über den Brennstoffgas-Einlassdurchgang hinweg angeordnet ist und an den Anodendurchgang das Brennstoffgas zuführt, dessen Druck eingestellt wird; und eine Regelungs-/Steuerungseinheit, welche eine Rückkopplungsregelung/-steuerung an der Einspritzeinrichtung ausführt. Zusätzlich umfasst die Regelungs-/Steuerungseinheit eine Kontinuierlicher-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit, welche die Einspritzeinrichtung während eines Starts der Brennstoffzelle derart antreibt, dass sich ein Ventil der Einspritzeinrichtung in einem konstanten Zeitabstand periodisch öffnet, wobei eine Ventil-Offen-Dauer in einer Einspritzeinrichtungsantriebsdauer konstant gehalten wird und die Rückkopplungsregelung/-steuerung an der Einspritzeinrichtung unterbunden wird.
  • Diese Konfiguration ermöglicht es, die Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer ohne Ausführen der Rückkopplungsregelung/-steuerung während eines Starts der Brennstoffzelle festzulegen, um das Brennstoffgas von der Einspritzeinrichtung an den Anodendurchgang zuzuführen. Wenn dementsprechend das System unter einer Bedingung startet, unter welcher das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, so dass sowohl der Anodendurchgang als auch der Kathodendurchgang das Oxidationsmittelgas aufweisen, können beispielsweise das Oxidationsmittelgas und das Brennstoffgas in dem Anodendurchgang effizient gemischt werden. Dies kann verhindern, dass eine Hohes-Potenzial-Polarisierung an der Brennstoffzelle andauert.
  • Das bedeutet, dass die Einspritzeinrichtung betätigt wird, während eine Ventil-Offen-Dauer (d. h. ein Ti-Wert) pro Antriebsdauer (d. h. ein Intervall) konstant gehalten wird. Dies macht es möglich, Brennstoffgas zuzuführen, ohne die Brennstoffgaszufuhr in der Mitte zu stoppen, um einen Druck (Anodendruck) von an den Anodendurchgang zugeführtem Brennstoffgas auf einen Solldruck zu erhöhen. Diese Konfiguration ermöglicht es, das Brennstoffgas kontinuierlich an den Anodendurchgang zuzuführen. Ebenso kann diese Konfiguration verhindern, dass das Brennstoffgas und das Oxidationsmittelgas in dem Anodendurchgang ineffizient vermischt werden. Diese Konfiguration kann daher verhindern, dass die Brennstoffzelle bei einem hohen Potenzial polarisiert ist.
  • Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem umfassen: eine Stillstandszeit-Bestimmungseinheit, welche bestimmt, ob eine Stillstandszeit vor dem Start der Brennstoffzelle gleich oder länger als eine vorbestimmte Dauer ist oder nicht, wobei der Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebsabschnitt die Einspritzeinrichtung betreibt, während er die Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer konstant hält, wenn die Stillstandszeit-Bestimmungseinheit bestimmt, dass die Stillstandszeit gleich oder länger als die vorbestimmte Dauer ist.
  • Wenn die Stillstandszeit gleich oder länger als die vorbestimmte Dauer ist, bestimmt diese Einheit, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird; und der Anodendurchgang und der Kathodendurchgang jeweils das Oxidationsmittelgas bei Start aufweisen. Wenn dann die Bedingungen bestimmt sind, wird die Einspritzeinrichtung betrieben, während die Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer konstant gehalten wird. Dies kann somit das Brennstoffgas daran hindern, unnötig (verschwenderisch) zugeführt zu werden.
  • Ferner kann das Brennstoffzellensystem eine Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit umfassen, welche eine Dauer eines kontinuierlichen Zuführens von Brennstoffgas (d. h. eine kontinuierliche Zufuhrdauer) berechnet, wenn die Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit die Einspritzeinrichtung antreibt. Die Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit verlängert die kontinuierliche Zufuhrdauer, wenn sich die Stillstandszeit verlängert.
  • Gemäß dieser Konfiguration bewirkt die Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit, dass die kontinuierliche Zufuhrdauer (d. h. ein Solldruck von an den Anodendurchgang zugeführtem Brennstoffgas) in Abhängigkeit von einem Verhältnis des in dem Anodendurchgang vorhandenen Oxidationsmittelgases variiert. Diese Konfiguration umgeht daher die Notwendigkeit, die Antriebsdauer der Einspritzeinrichtung unnötig (verschwenderisch) zu verlängern.
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem umfassen: eine Oxidationsmittelgas-Zufuhreinheit, welche das Oxidationsmittelgas an den Kathodendurchgang zuführt; eine Druckdifferenz-Detektionseinheit, welche eine Druckdifferenz zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle detektiert, und eine Start-Differentialdruck-Einstellungseinheit, welche einen Antrieb der Oxidationsmittelgas-Zufuhreinheit einstellt, damit die Druckdifferenz auf weniger als einen Schwellenwert absinkt, wenn die Druckdifferenz gleich oder größer als der Schwellenwert ist, während die Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit die Einspritzeinrichtung während des Starts der Brennstoffzelle antreibt.
  • Diese Konfiguration verhindert, dass der Druckunterschied zwischen der Anode unter Kathode zu groß wird, und kann daher verhindern, dass die Brennstoffzelle beschädigt wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem bereitstellen, welches dazu in der Lage ist, eine Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert zu sein.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 verdeutlicht, wie ein gesamtes Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu konfigurieren ist.
  • 2A ist eine Wellenform-Darstellung, welche eine Beziehung zwischen einem Intervall und einer Ventil-Offen-Dauer während eines Hochspannungsstarts verdeutlicht.
  • 2B ist eine Wellenform-Darstellung, welche eine Beziehung zwischen einem Intervall und einer Ventil-Offen-Dauer während einer normalen Leistungserzeugung verdeutlicht.
  • 3A ist ein Diagramm, welches an einem Beispiel verdeutlicht, wie sich ein Anodendruck während eines Hochspannungsstarts verhält. 3B ist ein Diagramm, welches an einem Beispiel verdeutlicht, wie sich ein Anodendruck während eines normalen Starts verhält.
  • 4A ist eine Abbildung, welche eine Beziehung zwischen einem Anodendruck während eines Starts und einer Leistungserzeugungs-Stillstandszeit angibt. 4B ist eine Abbildung, welche eine Beziehung zwischen einer Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode während eines Starts und einer Leistungserzeugungs-Stillstandszeit angibt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, welches verdeutlicht, wie ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform funktioniert.
  • 6A ist ein Diagramm, welches eine Beziehung von einem Solldruck während eines Hochspannungsstarts, einer Ventil-Offen-Dauer einer Einspritzeinrichtung und einem Anodendruck verdeutlicht. 6B ist ein Diagramm, welches eine Beziehung von einem Solldruck während eines normalen Starts, einer Ventil-Offen-Dauer einer Einspritzeinrichtung und einem Anodendruck verdeutlicht.
  • 7 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches an einem Beispiel verdeutlicht, wie ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform zu betreiben ist.
  • 8 ist eine schematische Abbildung zum Beschreiben eines Hohes-Potenzial-Polarisierungs-Zustands einer Brennstoffzelle während ihres Starts.
  • 9 ist ein Flussdiagramm, welches einen Betrieb verdeutlicht, wenn die Leistung normal erzeugt wird.
  • 10 ist eine Abbildung, welche eine Beziehung zwischen einem Wasserstoff-Einspritzvolumen und einem Ti-Wert (einer Ventil-Offen-Dauer) angibt.
  • 11 ist ein Flussdiagramm, welches verdeutlicht, wie ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform funktioniert.
  • 12 ist eine Abbildung, welche eine Beziehung zwischen einer Stillstandszeit und einer kontinuierlichen Einspritzdauer von Wasserstoff angibt.
  • 13 ist eine Abbildung zum Berechnen eines Verteilungsvolumen eines Wasserstoff-Einspritzvolumens.
  • 14 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches an einem Beispiel verdeutlicht, wie ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform zu betreiben ist.
  • 15A und 15B veranschaulichen eine Einspritzeinrichtungs-Regelung/Steuerung und Veränderungen in einem Anodendruck. 15A stellt einen Fall dar, dass eine Rückkopplungsregelung/-steuerung untersagt ist. 15B stellt einen Fall dar, dass die Rückkopplungsregelung/-steuerung vorhanden ist.
  • BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass ein hier nicht dargestelltes Brennstoffzellenfahrzeug (z. B. ein Fahrzeug, ein sich bewegender Körper) beispielsweise ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung trägt. Beispiele des Brennstoffzellenfahrzeugs umfassen ein Allradfahrzeug, ein dreirädriges Fahrzeug, ein zweirädriges Fahrzeug, ein einrädriges Fahrzeug und einen Zug. In dieser Hinsicht können die Beispiele jedoch Konfigurationen umfassen, bei welchen andere sich bewegende Körper, wie etwa ein Schiff oder ein Flugzeug, das Brennstoffzellensystem tragen. Zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem als ein stationäres System für die Heimverwendung oder/und die geschäftliche Verwendung verwendet werden.
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1: einen Brennstoffzellenstapel 10; ein Anodensystem zum Zuführen von Wasserstoff (d. h. Brennstoffgas, Reaktionsgas) an und Ausstoßen des Wasserstoffs von einer Anode des Brennstoffzellenstapels 10; ein Kathodensystem zum Zuführen von Sauerstoffhaltiger Luft (d. h. Oxidationsmittelgas, Reaktionsgas) an und Abführen der Luft von einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 10; ein Leistungs-Regelungs/Steuerungs-System, welches eine Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 regelt/steuert; und eine ECU (Elektronische Regelungs-/Steuerungseinheit), welche den obigen Stapel und die obigen Systeme elektronisch regelt/steuert.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 ist ein Stapel, welcher aus einer Mehrzahl von einzelnen Zellen 11 vom Feststoffpolymertyp, die gestapelt sind, gebildet ist. In dem Stapel ist die Mehrzahl von einzelnen Zellen 11 elektrisch in Reihe verbunden. Jede einzelne Zelle 11 umfasst zwei leitende Separatoren und eine dazwischen eingefügte MEA (Membran-Elektroden-Anordnung). Die MEA umfasst: eine Anode und eine Kathode (Elektroden); und eine Elektrolytmembran (eine Feststoffpolymer-Elektrolytmembran), welche zum Beispiel aus einer Einwertige-Kation-Austauschmembran hergestellt ist, wobei die Elektrolytmembran zwischen den Elektroden eingefügt ist.
  • Die Anode und die Kathode umfassen jeweils: einen leitenden porösen Körper, wie etwa Kohlepapier; und einen Katalysator (z. B. Pt), damit sich eine Elektrodenreaktion an der Anode und der Kathode entwickelt, wobei der poröse Körper den Katalysator daran stützt.
  • Jeder Separator ist mit Nuten zum Zuführen von Wasserstoff oder Luft zu der gesamten Fläche jeder MEA und Durchgangslöchern zum Zuführen/Ausstoßen des Wasserstoffs oder der Luft an/von sämtlichen der einzelnen Zellen 11 bereitgestellt. Die Nuten und Durchgangslöcher dienen als ein Anodendurchgang 12 (d. h. ein Brennstoffgasdurchgang) und ein Kathodendurchgang 13 (d. h. ein Oxidationsmittelgasdurchgang).
  • In der Zwischenzeit wird Wasserstoff über den Anodendurchgang 12 an jede Anode geliefert und wird Luft über den Kathodendurchgang 13 an jede Kathode geliefert, so dass jede einzelne Zelle 11 eine Potenzialdifferenz (d. h. eine OCV (Leerlaufspannung)) erzeugt. Sobald danach der Brennstoffzellenstapel 10 und eine externe Schaltung, wie etwa ein Motor 41, elektrisch verbunden sind, gibt der Brennstoffzellenstapel 10 einen Strom aus und erzeugt Leistung.
  • Eine Zellenspannung-Überwachungsvorrichtung 15 ist eine Vorrichtung, welche eine Zellenspannung pro einzelner Zelle 11 detektiert. Eine Mehrzahl von einzelnen Zellen 11 bildet den Brennstoffzellenstapel 10. Die Zellenspannung-Überwachungsvorrichtung 15 umfasst: einen Überwachungskörper; und Kabelbäume zum Verbinden des Überwachungskörpers mit jeder einzelnen Zelle.
  • Der Überwachungskörper ist der Reihe nach mit jeder der einzelnen Zellen 11 verbunden und detektiert eine Zellenspannung von jeder der einzelnen Zellen 11 in einem vorbestimmten Zeitabstand. Dann werden eine Durchschnittszellenspannung und eine Minimumzellenspannung berechnet. Anschließend gibt der Körper der Überwachungsvorrichtung (der Zellenspannung-Überwachungsvorrichtung 15) die Durchschnittszellenspannung und die Minimumzellenspannung an die ECU 60 aus.
  • Das Anodensystem umfasst: einen Wasserstoffbehälter 21 (eine Brennstoffgasquelle); ein normalerweise geschlossenes Absperrventil 22; eine erste Einspritzeinrichtung 23A (eine Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit: bezeichnet als „INJ A” in den 1, 5 bis 7, 11, 13 und 14); eine zweite Einspritzeinrichtung 23B (eine Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit: bezeichnet als „INJ BP” in den 1, 5 bis 7, 11, 13 und 14); eine Ausstoßeinrichtung 24; ein Rückschlagventil 25; ein Spülventil 26; eine Wasserstoffpumpe 27; einen Drucksensor 28 (eine Zwischen-Elektroden-Druckdifferenz-Detektierungseinheit); einen Temperatursensor 29; und dergleichen.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass Einspritzeinrichtungen desselben Typs (solche mit einer identischen Leistungsfähigkeit) beispielsweise als die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B verwendet werden können. Alternativ kann eine Einspritzeinrichtung, welcher ein höheres Flussvolumen als die zweite Einspritzeinrichtung 23B einspritzen kann, als die erste Einspritzeinrichtung 23A verwendet werden. Ebenso kann eine Einspritzeinrichtung, welcher ein höheres Flussvolumen als die erste Einspritzeinrichtung 23A einspritzen kann, als die zweite Einspritzeinrichtung 23B verwendet werden. Dementsprechend können die Einspritzeinrichtungen auf geeignete Weise modifiziert sein.
  • Der Wasserstoffbehälter 21 ist mit einem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12 über eine Leitung 21a, das Absperrventil 22, eine Leitung 22a, die erste Einspritzeinrichtung 23A, eine Leitung 23a, die Ausstoßeinrichtung 24 und eine Leitung 24a verbunden. Die Leitung 22a ist mit der Leitung 24a über eine Leitung 22b, die zweite Einspritzeinrichtung 23B und eine Leitung 23b verbunden. Wenn die erste Einspritzeinrichtung 23A oder/und die zweite Einspritzeinrichtung 23B Wasserstoff einspritzen können, während das Absperrventil 22 offen gehalten wird, fließt der Wasserstoff von dem Wasserstoffbehälter 21 durch die Leitung 21a und andere und wird dem Anodendurchgang 12 zugeführt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass auf halbem Weg durch die Leitung 22a stromauf von einem Verbindungspunkt mit der Leitung 22b ein nicht dargestelltes Druckminderungsventil (d. h. ein Regulator), welches einen Wasserstoffdruck reduziert, installiert ist. Dieses Druckminderungsventil kann durch Verwenden eines Drucks in dem Kathodensystem als ein Steuerdruck arbeiten. Alternativ kann dieses Druckminderungsventil unabhängig von dem Kathodensystem elektronisch gesteuert/geregelt sein.
  • Ein Brennstoffgas-Einlassdurchgang ist hier mit einem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12 verbunden, und an den Anodendurchgang 12 zuzuführender Wasserstoff läuft durch den Brennstoffgas-Einlassdurchgang, umfassend: die Leitungen 21a, 22a, 23a, 24a, 22b und 23b. Zusätzlich ist die Ausstoßeinrichtung 24 an einem Verbindungspunkt zwischen dem Brennstoffgas-Einlassdurchgang und einer unten beschriebenen Leitung 25b (ein Verbindungsdurchgang) bereitgestellt.
  • Ebenso ist die erste Einspritzeinrichtung 23A durch den Brennstoffgas-Einlassdurchgang stromauf von dem Verbindungspunkt (Ausstoßeinrichtung 24) angeordnet. Ferner verbindet ein Umgehungsdurchgang den obigen Brennstoffgas-Einlassdurchgang stromauf von der ersten Einspritzeinrichtung 23A mit dem obigen Brennstoffgas-Einlassdurchgang stromab von der Ausstoßeinrichtung 24A. Dementsprechend umgeht Wasserstoff von dem Wasserstoffbehälter 21 die erste Einspritzeinrichtung 23A und die Ausstoßeinrichtung 24. Dieser Umgehungsdurchgang umfasst die Leitungen 22b und 23b. Die zweite Einspritzeinrichtung 23B ist dann auf halbem Weg durch den Umgebungsdurchgang bereitgestellt.
  • Der Wasserstoffbehälter 21 enthält Hochdruck-Wasserstoff. Beispiele des Absperrventils 22 umfassen ein elektromagnetisch betriebenes Absperrventil, und das Absperrventil öffnet und schließt gemäß einer Anweisung von der ECU 60.
  • Die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B sind elektronisch durch die ECU 60 geregelt/gesteuert, um intermittierend Wasserstoff während eines Normalbetriebs einzuspritzen. Beispiele der Einspritzeinrichtungen umfassen solche, welche während eines Hochspannungsstarts Wasserstoff für eine kurze Dauer kontinuierlich einspritzen können und solche, welche in Abhängigkeit von dem Bedarf während des Starts Wasserstoff (vergleiche die zweite Ausführungsform, bei welcher dies nur die erste Einspritzeinrichtung 23A tut) für eine kurze Dauer kontinuierlich einspritzen können.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Einspritzeinrichtung 23A, die zweite Einspritzeinrichtung 23B, das Absperrventil 22, die Wasserstoffpumpe 27, eine unten beschriebene Luftpumpe 31 und ein Gegendruckventil 33 durch den Brennstoffzellenstapel 10 oder/und eine unten beschriebene Batterie 44 mit Energie versorgt werden.
  • Die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B sind Baugruppen, in welchen allgemein bekannte Komponenten, wie ein Gehäuse, ein Solenoid, ein Kolben, eine Druckschraubenfeder und eine Düse zusammengefasst sind. Da die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B von der ECU 60 elektronisch geregelt/gesteuert werden, reagieren sie schnell auf eine Anweisung (z. B. eine Öffnungsanweisung/eine Schließanweisung) von der ECU 60 und sind somit gut geregelt/gesteuert.
  • Die Ausstoßeinrichtung 24 umfasst: eine Düse 24b, welche Wasserstoff abführt (der von der ersten Einspritzeinrichtung 23A stammende Wasserstoff), um einen Unterdruck zu erzeugen; und einen Diffusor 24c, welcher Wasserstoff und Anodenabgas (Brennstoffabgas) mischt, welches unter Nutzung des obigen Unterdrucks durch die Leitungen 25a und 25b gesaugt wird, um das gemischte Gas in die Leitung 24a (Anodendurchgang 12) einzuspeisen.
  • Ein Auslass 12b des Anodendurchgangs 12 ist mit einem Einlassanschluss der Ausstoßeinrichtung 24 über eine Leitung 26a, die Leitung 25a, das Rückschlagventil 25 und die Leitung 25b verbunden. Anodenabgas, welches von dem Anodendurchgang 12 abgeführten unverbrauchten Wasserstoff enthält, kehrt dann zu der Ausstoßeinrichtung 24 (Brennstoffgas-Einlassdurchgang) zurück.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Rückschlagventil 25 verhindern soll, dass das Anodenabgas zurück fließt. Zusätzlich weist die Leitung 26a einen nicht dargestellten Gas-Flüssigkeit-Separator auf, welcher in dem Anodenabgas enthaltende Feuchtigkeit abtrennt.
  • Die Leitung 26a ist mit einer unten beschriebenen Verdünnungseinrichtung 34 über das Spülventil 26 und eine Leitung 26b verbunden. Das Spülventil 26 wird durch die ECU 60 geöffnet, wenn das innere Gas des Anodendurchgangs 12 während des Systemstartvorgangs durch Wasserstoff ersetzt wird oder/und wenn Verunreinigungen (d. h. Wasserdampf, Stickstoff), welche in Anodenabgas enthalten sind, das in einem Zirkulationsdurchgang (umfassend den Anodendurchgang 12 und die Leitungen 26a, 25a, 25b und 24a) zirkuliert, während einer Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 entfernt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform die Leitungen 26a und 26b den Brennstoffabgas-Auslassdurchgang bilden.
  • Die Wasserstoffpumpe 27 ist eine Zirkulationseinrichtung, welche von dem Auslass 12b des Anodendurchgangs 12 abgeführtes Anodenabgas (Brennstoffabgas) durch Zurückführen des Anodenabgases zu dem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12 zirkuliert, und wird von einer Anweisung von der ECU 60 geregelt/gesteuert.
  • Zusätzlich ist ein Einlassanschluss der Wasserstoffpumpe 27 über eine Leitung 27a mit der Leitung 26a verbunden und ist die Leitung 27a mit dem Anodenabgas-Auslassdurchgang stromab von einem Verbindungspunkt zwischen den Leitungen 26a und 25a verbunden. Ferner ist ein Auslassanschluss der Wasserstoffpumpe 27 über eine Leitung 27b mit der Leitung 24a verbunden und ist die Leitung 27b mit dem Brennstoffgas-Einlassdurchgang stromab von einem Verbindungspunkt zwischen den Leitungen 24a und 23b verbunden.
  • Der Drucksensor 28 ist in der Leitung 24a nahe des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12 installiert. Des Weiteren detektiert der Drucksensor 28 einen Anodendruck Pa (d. h. näherungsweise gleich einem Druck in dem Anodendurchgang 12) innerhalb der Leitung 24a und gibt den Wert an die ECU 60 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass der Drucksensor 28 in der Leitung 26a nahe des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 installiert sein kann.
  • Der Temperatursensor 29 ist an der Leitung 26a nahe des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 montiert. Des Weiteren detektiert der Temperatursensor 29 eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und gibt den Wert an die ECU 60 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass der Temperatursensor 29 nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, solange er in einer Position montiert ist, in welcher die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 detektiert werden kann. Ferner kann er an einer Leitung 32b an der Auslassseite des Kathodendurchgangs 13 montiert sein. Des Weiteren kann er an einer nicht dargestellten Leitung an der Kühlmittel-Auslassseite eines Kühlsystems, das den Brennstoffzellenstapel 10 kühlt, montiert sein. Weiterhin kann er eine Temperatur des Brennstoffzellenstapel 10 direkt detektieren.
  • Das Kathodensystem umfasst: eine Luftpumpe 31 (eine Oxidationsmittelgas-Zuführungseinheit); eine Befeuchtungseinrichtung 32; ein Gegendruckventil 33; eine Verdünnungseinrichtung 34; einen Drucksensor 35 (eine Zwischen-Elektroden-Druckdifferenz-Detektierungseinheit); und dergleichen.
  • Ein Auslassanschluss der Luftpumpe 31 ist mit einem Einlass des Kathodendurchgangs 13 über eine Leitung 31a, die Befeuchtungseinrichtung 32 und eine Leitung 32a verbunden. Des Weiteren wird die Luftpumpe 31 durch einen nicht dargestellten Motor betrieben. Die Luftpumpe 31 nimmt, wenn durch eine Anweisung von der ECU 60 betrieben, Sauerstoffhaltige Luft auf und führt die Luft dem Kathodendurchgangs 13 zu.
  • Ein Auslass des Kathodendurchgangs 13 ist mit der Verdünnungseinrichtung 34 über eine Leitung 32b, die Befeuchtungseinrichtung 32, eine Leitung 33a, das Gegendruckventil 33 und eine Leitung 33b verbunden. Kathodenabgas (Oxidatinsmittelabgas) von dem Kathodendurchgang 13 wird in die Verdünnungseinrichtung 34 abgeführt.
  • Die Befeuchtungseinrichtung 32 umfasst eine nicht dargestellte wasserdurchlässige Hohlfasermembran und diese Hohlfasermembran wird verwendet, damit von der Luftpumpe 31 ausgesendete Frischluft Wasser absorbiert, welches in von dem Auslass des Kathodendurchgangs 13 abgeführtem, feuchtem Kathodenabgas enthalten ist, wodurch die Frischluft befeuchtet wird.
  • Das Gegendruckventil 33 ist ein solches normalerweise offenes Ventil, wie etwa eine Absperrklappe, und ein Gegendruck (d. h. ein Druck in dem Kathodendurchgang 13) davon wird durch eine Anweisung von der ECU 60 geregelt/gesteuert. Jedoch wird ein Öffnungsgrad des Gegendruckventils 33 in einer solchen Weise geregelt/gesteuert, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode nicht derart groß wird, dass sie nicht in der Lage ist, einen Kathodendruck Pc zu regulieren, anzusteigen und zu fallen.
  • Die Verdünnungseinrichtung 34 vermischt das Anodenabgas und das Kathodenabgas und ist ein Behälter, in welchem in dem Anodenabgas enthaltener Wasserstoff mit dem Kathodenabgas (Verdünnungsgas) verdünnt wird. Die Verdünnungseinrichtung 34 weist einen Verdünnungsbereich im Inneren davon auf. Die Leitung 34 wird dann zum Ausstoßen des verdünnten Gases aus einem Fahrzeug verwendet.
  • Der Drucksensor 35 ist in der Leitung 32a nahe des Einlasses des Kathodendurchgangs 13 montiert. Des weiteren detektiert der Drucksensor 35 einen Kathodendruck Pc (d. h. näherungsweise gleich einem Druck in dem Kathodendurchgang 13) innerhalb der Leitung 32a und gibt einen Druck an die ECU 60 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass der Drucksensor 35 in der Leitung 32b nahe des Auslasses des Kathodendurchgangs 13 montiert sein kann.
  • Das Leistungs-Regelungs-/Steuerungssystem umfasst: einen Motor 41; eine PDU 42 (Leistungsantriebseinheit); eine Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43; eine Batterie 44; ein Schütz 45; und dergleichen. Der Motor 41 ist mit einem nicht dargestellten Auslassanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 über die PDU 42, die Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 und das Schütz 45 verbunden. Die Batterie 44 ist mit der Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 verbunden. Das heißt, dass der Motor 41 und die Batterie 44 parallel mit der Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 (Brennstoffzellenstapel 10) geschaltet sind.
  • Der Motor 41 kann ein Elektromotor sein, welcher eine Antriebskraft zum Antreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt.
  • Die PDU 42 kann ein Wechselrichter sein, welcher Gleichstromleistung von der Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung umwandelt, um die umgewandelte Leistung dem Motor 41 zuzuführen.
  • Die Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 arbeitet gemäß Anweisungen von der ECU 60, wobei sie eine Funktion zum Regeln/Steuern von Ausgaben (z. B. erzeugte Leistung, ein Stromwert, ein Spannungswert) des Brennstoffzellenstapels 10 und eine Funktion zum Regeln/Steuern eines Entladens und Aufladens der Batterie 44 aufweist. Eine solche Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 umfasst verschiedene elektronische Schaltungen, wie etwa eine Gleichstrom-Gleichstrom-Zerhacker-Schaltung.
  • Die Batterie 44 ist eine Akkumulator-Batterie, welche aufgeladen und entladen werden kann und ist aus einem Batteriepack hergestellt, welches beispielsweise aus einer Mehrzahl von Lithium-Ionen-Zellen gebildet ist, die kombiniert sind.
  • Das Schütz 45 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Leistungs-Regelungs-/-Steuerungseinrichtung 43 angeordnet und umfasst einen Schalter, welcher den Brennstoffzellenstapel 10 mit einer externen Last (z. B. dem Motor 41, der Batterie 44) verbindet/trennt. Der Schalter wird von der ECU 60 ein- und ausgeschaltet.
  • Ein IG 51 ist ein Startschalter für das Brennstoffzellensystem 1 (ein Brennstoffzellen-Fahrzeug) und ist in der Nähe eines Fahrersitzes angeordnet. Des Weiteren ist die ECU 60 mit dem IG 51 verbunden und dazu in der Lage, ein AN-Signal (ein Systemstartsignal) und ein AUS-Signal (ein Systemstoppsignal) des IG 51 zu detektieren.
  • Ein Zeitmesser 52 soll eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels 10 (d. h. eine Stillstandszeit; eine Stillstandszeit vor dem Start des Brennstoffzellenstapels 10) durch Detektieren einer Zeit von einem Detektieren eines AUS-Signals bis zu einem Detektieren eines AN-Signals von dem IG 51 messen. Der Zeitmesser 52 gibt die gemessene Leistungserzeugungs-Stillstandszeit an die ECU 60 aus.
  • Die ECU 60 ist eine Regelungs-/Steuerungseinrichtung, welche das Brennstoffzellensystem 1, umfassend eine CPU (Central Processing Unit (Hauptprozessor)), ein ROM (Read Only Memory (Festwertspeicher)), ein RAM (Random Access Memory (Direktzugriffsspeicher)), verschiedene Schnittstellen, elektronische Schaltungen und dergleichen, elektronisch regelt/steuert. Integrierte Programme werden dazu verwendet, verschiedene Einheiten zu regeln/steuern und verschiedene Vorgänge auszuführen.
  • Des Weiteren weist die ECU 60 eine Funktion zum Regeln/Steuern der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B mit PWM (Pulsweitenmodulation) auf. Insbesondere, wie in den 2A und 2B gezeigt, ändert die ECU 60 ein Verhältnis einer Öffnungszeit sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B (d. h. eine Ventil-Offen-Dauer [Ti-Wert]; AN-Tastwert) auf ein Intervall, welches einer des Einspritzeinrichtungsventilbetriebs (d. h. eine Zeitspanne von einer Zeit eines Öffnens eines Ventils bis zu einer Zeit eines nächsten Öffnens des Ventils; einer Referenzdauer; einer Antriebsdauer) entspricht. Demgemäß weist die ECU 60 eine Funktion zum Regulieren eines Wasserstoff-Einspritzvolumens (d. h. eines Flussvolumens) von sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B und zum Regulieren eines an den Anodendurchgang 12 zugeführten Wasserstoffflussvolumens (d. h. ein Gesamtflussvolumen) auf.
  • 2A zeigt eine unten beschriebene Regelung/Steuerung der ersten Einspritzeinrichtung 23A während eines Hochspannungsstartvorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 und zeigt den Fall, wo ein Ti-Wert (eine Ventil-Offen-Dauer) gleich dem Intervall ist. Diese Konfiguration ermöglicht es, Wasserstoff kontinuierlich zuzuführen. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser Bedingung eine Bedingung entspricht, in welcher ein Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A offen bleibt. Es sei auch bemerkt, dass, wie für die zweiten Einspritzeinrichtung 23A, ein Ti-Wert (d. h. eine Ventil-Offen-Dauer) derart gesetzt wird, dass er kürzer ist als das Intervall zum Regeln/Steuern seines Öffnens und Schließens. Diese Regelung/Steuerung ermöglicht es, Wasserstoff periodisch zuzuführen. Der Grund, weshalb ein Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B in dieser Ausführungsform nicht kontinuierlich geöffnet wird, liegt darin, einen Anodendruck daran zu hindern, ein übermäßig hohes Maß anzunehmen.
  • 2B zeigt eine Regelung/Steuerung der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B während einer normalen Leistungserzeugung und zeigt einen Fall, wo das Intervall länger ist als der Ti-Wert (die Ventil-Offen-Dauer). Diese Konfiguration ermöglicht es, Wasserstoff periodisch zuzuführen.
  • Des Weiteren misst die ECU 60 eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T des Brennstoffzellenstapels 10 nach einem Detektieren eines AN-Signals des IG 51 (d. h. nach Auslösen eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10). Wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T bestimmt wird, gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer (von einer Anodendurchgang-Gasersetzung-Bestimmungseinheit) zu sein, regelt/steuert die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B, um zu bewirken, dass ein Anodendruck Pa (d. h. ein Solldruck) größer wird, als wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kürzer als die vorbestimmte Dauer bestimmt wird.
  • Insbesondere, wie in 3A dargestellt, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist, wird bewirkt, dass das gesamte Einspritzvolumen der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zunimmt. Demgemäß wird der Solldruck (d. h. ein Betriebsdruck während eines Hochspannungsstarts) derart gesetzt, dass er größer als ein Betriebsdruck während eines in 3B dargestellten normalen Starts ist (d. h. in dem Fall, wo die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kleiner als die vorbestimmte Dauer ist). Beispielsweise werden die Ti-Werte (d. h. Ventil-Offen-Dauern, Einspritzvolumina) der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B derart gesetzt, dass sie größer als diejenigen während einer in 2B dargestellten normalen Leistungserzeugung sind, so dass der Anodendruck Pa (d. h. der Solldruck) erhöht werden kann.
  • Zusätzlich, wie in 4A dargestellt, wird der Solldruck (d. h. der Anodendruck Pa) während eines Starts, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist, derart gesetzt, dass sie höher ist als wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kleiner als die vorbestimmte Dauer ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Fall, wo eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer ist, eine Bedingung bezeichnet, in welcher der Anodendurchgang 12 und der Kathodendurchgang 13 jeweils Luft aufweisen; wenn der Brennstoffzellenstapel 10 gestartet wird, um Wasserstoff von dem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12 zuzuführen, eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz (d. h. die Seite des Einlasses 12a weist einen hohen Pegel auf und die Seite des Auslasses 12b weist einen niedrigen Pegel auf) zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugt wird; und der Brennstoffzellenstapel 10 somit bei einem hohen Potential polarisiert ist. Es sei ferner bemerkt, dass der Solldruck ein fester Wert sein kann oder dass der Solldruck (d. h. der Anodendruck) während eines Starts erhöht werden kann, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit länger wird.
  • Des Weiteren, wie in 4B dargestellt, falls die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist, kann die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zum Zeitpunkt eines Starts des Brennstoffzellensystems beim Bestimmen des Solldrucks (d. h. des Anodendrucks) in Betracht gezogen werden. Ferner entspricht die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode einer Druckdifferenz (Pa–Pc) zwischen einem Anodendruck Pa an der Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12, welcher mit dem Drucksensor 28 detektiert wird, und einem Kathodendruck Pc an der Seite des Einlasses 13a des Kathodendurchgangs 13, welcher mit dem Drucksensor 35 detektiert wird.
  • Ferner, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist, kann der höhere Anodendruck Pa während des Startvorgangs gesetzt werden, um die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu vergrößern, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T verlängert. Darüber hinaus kann eine obere Schranke (d. h. eine Druckdifferenz bei und unter welcher eine Elektrolytmembran nicht beschädigt wird) der Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zur Bestimmung in Betracht gezogen werden.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass eine Zufuhr von Wasserstoff und Luft an den Brennstoffzellenstapel 10 eingestellt wird, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 angehalten wird (zu dem Zeitpunkt IG-AUS), so dass eine Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gestoppt wird. Ebenso wird während einer Leistungserzeugungs-Stillstandszeit das Spülventil 26 geschlossen und das Gegendruckventil 33 geöffnet. Demgemäß wird während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit beispielsweise ein den Anodendurchgang 12 umfassender Durchgang hermetisch abgedichtet. In diesem Zustand dringt in dem Kathodendurchgang 13 verbleibende Luft durch eine Elektrolytmembran zu dem Anodendurchgang 12. Das innere Gas des Anodendurchgangs 12 wird dann allmählich durch die Luft ersetzt.
  • Wie in 5 gezeigt, bestimmt die ECU 60 in Schritt S101, ob eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T, welche unter Verwendung des Zeitmessers 52 gemessen worden ist, gleich oder größer ist als eine vorbestimmte Dauer oder nicht, wenn das AN-Signal der IG 51 (d. h. ein Systemstart-Signal) detektiert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass mit „gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer” eine Bedingung gemeint ist, in welcher das innere Gas des Anodendurchgangs 12 durch Luft ersetzt ist; eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 zu der nächsten Zeit gestartet wird, um Wasserstoff an den Anodendurchgang 12 zuzuführen; und der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial polarisiert ist.
  • In Schritt S101 schreitet der Vorgang zu Schritt S102 fort, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist (d. h. Ja). Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kleiner als die vorbestimmte Dauer ist (d. h. Nein), schreitet der Vorgang zu S109 fort.
  • In Schritt S102 öffnet die ECU 60 das Absperrventil 22 und betätigt (schaltet) die Luftpumpe 31 (ein), um Luft in den Kathodendurchgang 13 zuzuführen. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Moment sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite. Einspritzeinrichtung 23B geschlossen sind. Demgemäß fließt der Wasserstoff im Behälter 21 durch das nicht darstellte Druckminderungsventil, durch welches ein Druck des Wasserstoffs reduziert wird und fließt ferner hoch zu der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B.
  • Zusätzlich wird in Schritt S102 die Luftpumpe dazu gebracht, bei einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit oder höher zu arbeiten (d. h. höher, als wenn die Leistung auf normale Weise erzeugt wird). Der Grund, weshalb eine Menge der zugeführten Luft in einer solchen Weise erhöht wird, liegt darin, Wasserstoff, der in von dem Anodendurchgang 12 abgeführten Anodenabgas enthalten ist, zu verdünnen, wenn das Spülventil 26 in Schritt S106 wie unten beschrieben geöffnet wird.
  • Ferner startet (schaltet) die ECU 60 in Schritt S102 (ein), damit die Wasserstoffpumpe 27 in Betrieb ist (d. h. unter Verwendung einer Zirkulationseinrichtungsbetrieb-Starteinheit). Da die Wasserstoffpumpe 27 betätigt ist, zirkuliert Gas (vornehmlich Luft) innerhalb des Anodenzirkulationssystems (umfassend den Anodendurchgang 12, Teil der Leitung 26a, die Leitungen 27a und 27b und Teil der Leitung 24a).
  • Als nächstes schreitet der Vorgang zu Schritt S103 fort und die ECU 60 bestimmt, ob eine vorbestimmte Dauer T1 verstrichen ist oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorbestimmte Dauer T1 eine Dauer sein kann, um einen Zustand zu erreichen, in welchem Gas innerhalb des Anodenzirkulationssystems (umfassend den Anodendurchgang 12 und Durchgänge innerhalb der Leitungen 26a, 27a, 27b und 24a) zirkuliert. Mit anderen Worten ist die Dauer derart definiert, um in der Lage zu sein, Wasserstoff innerhalb des Anodenzirkulationssystems sofort zu zirkulieren, wenn der Wasserstoff von der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zugeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorbestimmte Dauer basierend auf einem vorhergehenden Test etc. bestimmt wird.
  • In Schritt S103, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Dauer verstrichen ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu Schritt S104 fort. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die vorbestimmte Dauer nicht verstrichen ist (d. h. Nein), wird der Vorgang von Schritt S103 wiederholt.
  • In Schritt S104 öffnet die ECU 60 das Ventil sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B. Bei dieser Gelegenheit wird bewirkt, dass der Ti-Wert der ersten Einspritzeinrichtung 23A zunimmt, so dass sein Einspritzvolumen größer wird als dasjenige während einer normalen Leistungserzeugung (siehe 3A). Diese Einstellung ermöglicht es, einen Solldruck (d. h. einen Anodendruck Pa) von an den Anodendurchgang 12 gelieferten Wasserstoff im Vergleich mit demjenigen während einer normalen Leistungserzeugung zu erhöhen.
  • Zusätzlich öffnet die ECU 60 in Schritt S104 das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A kontinuierlich, indem der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) der ersten Einspritzeinrichtung 23A gleich dem Intervall gesetzt wird (siehe 2A). Ferner, wie für die zweite Einspritzeinrichtung 23B, öffnet die ECU 60 die zweite Einspritzeinrichtung 23B periodisch, indem der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) derart gesetzt wird, dass er kürzer als das Intervall ist. Es wird darauf hingewiesen, dass das Einspritzvolumen (d. h. der Ti-Wert) der zweiten Einspritzeinrichtung 23B angemessen beschränkt wird, wenn eine Druckerhöhung, wie unten beschrieben, zu groß wird. Des Weiteren, wie für die erste Einspritzeinrichtung 23A, ist die Einstellung nicht auf eine Bedingung beschränkt, in welcher das Ventil kontinuierlich offen ist. Die Einstellung ist erlaubt, solange die Ventil-Offen-Dauer länger ist als diejenige während einer normalen Leistungserzeugung (siehe 2B).
  • Unter Bezugnahme auf die 6A, 6B wird im Folgenden beschrieben, weshalb das Einspritzvolumen (d. h. der Ti-Wert) der zweiten Einspritzeinrichtung 23B begrenzt wird. 6A ist ein Diagramm (diese Ausführungsform), welches einen Zusammenhang zwischen einem Sollwert während eines Hochspannungsstarts und einer Ventil-Offen-Dauer einer Einspritzeinrichtung darstellt. 6B ist ein Diagramm (Vergleichsbeispiel), welches einen Zusammenhang zwischen einem Solldruck während eines normalen Starts und einer Ventil-Offen-Dauer einer Einspritzeinrichtung darstellt.
  • Insbesondere, wie in 6B dargestellt, wenn die erste Einspritzeinrichtung 23A (INJ A) und die zweite Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP) jeweils unter einer vollständig offenen Bedingungen verwendet werden, wird eine Erhöhung (d. h. eine Erhöhung pro Zeiteinheit) eines Anodendrucks Pa zu groß, so dass der Anodendruck sofort einen Solldruck erreicht. Dementsprechend wird eine Wasserstoffzufuhr von der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B rasch gestoppt. Das Beenden der Wasserstoffzufuhr bewirkt, dass ein Zustand, in welchem eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugt wird, bestehen bleibt, bis die nächste Wasserstoffinjektion von der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B beginnt. Folglich wird der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial polarisiert gehalten, bis der Betrieb neu startet.
  • In diesem Zusammenhang ist jedoch, wenn die Leistung auf normale Weise erzeugt wird, eine größere Erhöhung des Anodendrucks Pa bevorzugt, wie in 6B dargestellt. Dies ist so, weil, wenn die Erhöhung groß wird, die Reaktionsfähigkeit verbessert werden kann, wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise beschleunigt wird.
  • Hier, in dieser Ausführungsform, ist der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer, das Einspritzvolumen) der zweiten Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP), wie in 6A darstellt, beschränkt. Demzufolge wird eine Erhöhung (d. h. eine Erhöhung pro Zeiteinheit [ΔP/t]) des Anodendrucks Pa unterdrückt. Diese Einstellung kann somit verhindern, dass Wasserstoff intermittierend geliefert wird, da ein Betrieb der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zu einem früheren Zeitpunkt gestoppt wird. Wasserstoff kann folglich an den Anodendurchgang 12 kontinuierlich geliefert werden, und kann daher die zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugte Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz verringern.
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird im Folgenden ein Mechanismus im Detail beschrieben, mit welchem eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel bei einem hohen Potenzial polarisiert ist.
  • Wenn der Anodendurchgang 12 und der Kathodendurchgang 13 des Brennstoffzellenstapels 10 jeweils während des Startvorgangs darin Luft aufweisen (d. h. wenn eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit gleich oder größer als ein vorbestimmte Dauer ist), wie in 8 dargestellt, bewirkt eine Wasserstoffinjektion von dem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12, dass eine Wasserstoffkonzentration in der Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs zunimmt und bewirkt, dass eine Wasserstoffkonzentration in der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 in einer Anfangsphase der Wasserstoffinjektion niedrig ist.
  • Wie in Gleichung (1) dargestellt, dissoziieren folglich Elektronen von Wasserstoff an der Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12; dringen Wasserstoffionen durch eine Elektrolytmembran zu der Einlassseite des Kathodendurchgangs 13; und bewegen sich die Elektronen zur der Seite des Einlasses 12b des Anodendurchgangs 12 hin. In diesem Moment beträgt ein Potenzial an der Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12 relativ zu einer DHE (Dynamische-Wasserstoff-Elektrode) 0 Volt.
  • Des Weiteren, wie in Gleichung (2) dargestellt, reagieren Wasserstoffionen und Elektronen mit Sauerstoff in Luft an der Einlassseite, um Wasser an der Einlassseite des Kathodendurchgangs 13 zu erzeugen. In diesem Moment beträgt ein Potenzial der Einlassseite des Kathodendurchgangs 13 relativ zu der DHE ungefähr 1 Volt.
  • Weiterhin wird, wie in Gleichung (3) dargestellt, Wasser an der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugt, indem Sauerstoff an der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 mit Wasserstoffionen, welche die Elektrolytmembran von der Auslassseite des Kathodendurchgangs 13 her durchdringen, und den Elektronen, welche von der Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12 übertragen werden, reagiert. Zu diesem Zeitpunkt beträgt ein Potenzial der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 relativ zu der DHE ungefähr 1 Volt.
  • Wie in Gleichung (4) dargestellt, dissoziieren ferner Elektronen an der Auslassseite des Kathodendurchgangs 13 von einem Katalysator (Platin), welcher für eine Kathode (eine Elektrode) verwendet wird, und werden Platinionen erzeugt.
  • Des Weiteren, wie in Gleichung (5) gezeigt, reagiert in der Kathode (Elektrode) enthaltener Kohlenstoff mit dem erzeugten Wasser, welches durch die Elektrolytmembran von der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs her durchgetreten ist, oder dem erzeugten Wasser; welches von der Einlassseite des Kathodendurchgangs 13 übertragen worden ist. Dann werden Kohlendioxid und Wasserstoffionen produziert. Zu diesem Zeitpunkt bewegen sich die Elektronen zu der Einlassseite des Kathodedurchgangs 13.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird eine Potenzialdifferenz von 1 Volt über dem Einlassabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 und eine Potenzialdifferenz von 1 Volt über dem Auslassabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt. Folglich beträgt ein Potenzial der Auslassseite des Kathodendurchgangs 13 relativ zu der DHE 2 Volt. Dies bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 einem Hohes-Potenzial-Polarisierter-Zustand ausgesetzt ist. Wenn die in Gleichung (4) ausgedrückte Reaktion (d. h. eine Reaktion zum Vorantreiben einer Katalysator-Erosion) und die in Gleichung (5) ausgedrückte Reaktion damit fortfahren, für einen langen Zeitraum fortzuschreiten, d. h., wenn eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs für einen langen Zeitraum andauert, ist der Brennstoffzellenstapel 10 kontinuierlich dem Hohes-Potenzial-Polarisierter-Zustand ausgesetzt und verschlechtert sich. Demgemäß ist dann der oben erläuterte Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 verantwortlich für die Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 10. Gemäß dieser Erkenntnisse ist es entscheidend, wie schnell die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 reduziert werden kann.
  • Zurück bei 5 schreitet nun der Vorgang zu Schritt S105 fort und dann bestimmt die ECU 60, ob ein Anodendruck Pa, welcher mit dem Drucksensor 28 detektiert worden ist, gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass der vorbestimmte Wert (d. h. ein Solldruck) gesetzt wird, ein Druck zu sein, welcher zum Reduzieren der Wasserstoffkonzentrationensdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 benötigt wird.
  • Des Weiteren wird die vorbestimmte Dauer basierend auf einem vorhergehenden Test etc. bestimmt. Es sei ebenfalls bemerkt, dass die obige Konfiguration nicht auf eine Konfiguration beschränkt ist, in welcher die ECU 60 die Situation unter Verwendung eines mit dem Drucksensor 28 detektierten Werts bestimmt. Die ECU 60 kann jedoch die Situation basierend auf einer Dauer (von t2 bis t3) bestimmen, welche benötigt wird, um den Druck auf den vorbestimmten Wert zu erhöhen.
  • In Schritt S105, wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck Pa kleiner als der vorbestimmte Wert (d. h. Nein) ist, wird der Vorgang von Schritt S105 wiederholt. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck Pa gleich oder größer als der vorbestimmte Wert (d. h. Ja) ist, schreitet der Vorgang zu S106 fort.
  • In Schritt S106 startet die ECU 60 eine Öffnungs- und Schließ-Regelung/Steuerung des Spülventils 26. Es wird darauf hingewiesen, dass der Grund, weshalb die Öffnungs- und Schließ-Regelung/Steuerung des Spülventils 26 nach Auslösen eines Betriebs der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B beginnt, daran liegt, die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 zu einem früheren Zeitpunkt zu reduzieren, indem der Anodendruck Pa in dem Anodendurchgang 12 schnell erhöht wird. Des Weiteren, sogar wenn das Spülventil 26 in diesem Schritt geöffnet wird, wird kein hochkonzentrierter Wasserstoff außerhalb eines Fahrzeugs abgegeben, da ein Betriebsdruck der Luftpumpe 31 höher ist als derjenige während einer normalen Leistungserzeugung (siehe Schritt S102).
  • Ebenso, in Schritt S106, schaltet die ECU 60 den Betrieb der ersten Einspritzeinrichtung 23A von einem kontinuierlichen Ventilöffnungsbetrieb um in eine Ventilöffnungsregelung/-steuerung, welche von einem Öffnungsbetrieb des Spülventils 26 abhängt, und schließt das Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B. Das bedeutet, dass die ECU 60 das Öffnen und Schließen des Ventils der ersten Einspritzeinrichtung 23A in einer solchen Weise regelt/steuert (d. h. den Ti-Wert regelt/steuert), dass eine Menge (Volumen) von Wasserstoff, welche gleich einer Menge des Gases ist, von dem Spülventil 26, während es geöffnet ist, abgeführt wird, durch die Einspritzeinrichtung 23A injiziert wird.
  • Als nächstes schreitet der Vorgang zu Schritt S107 fort und bestimmt die ECU 60, ob der Start beendet worden ist oder nicht. Der Fall, wo der Start beendet worden ist, beschreibt einen Fall, wo die ECU 60 bestimmt, dass ein vorbestimmtes Gasvolumen seit dem Öffnen (Öffnen und Schließen) des Spülventils 26 entfernt (ausgestoßen) worden ist. Ob ein vorbestimmtes Gasvolumen entfernt worden ist oder nicht, kann beispielsweise basierend auf einer Ventil-Offen-Dauer des Spülventils 26 bestimmt werden.
  • In Schritt S107, wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start nicht beendet worden ist (d. h. Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S104 zurück. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start beendet worden ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu Schritt S108 fort.
  • In Schritt S108 schaltet die ECU 60 das Schütz 45 ein (d. h. verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit der externen Last) und beginnt damit, einen erzeugten Strom von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufzunehmen und verringert eine Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 31 auf eine Rotationsgeschwindigkeit, welche für eine normale Leistungserzeugung notwendig ist. Der von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufgenommene erzeugte Strom wird an die externe Last, wie etwa den Motor 41 und die Luftpumpe 31, zugeführt. Zusätzlich regelt/steuert die ECU 60 das Öffnen und Schließen (den Ti-Wert) der ersten Einspritzeinrichtung 23A nach Maßgabe, wie groß der von der von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufgenommene erzeugte Strom sein sollte.
  • Im Übrigen schreitet in Schritt S101, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kleiner als die vorbestimmte Dauer (d. h. Nein) ist, zu Schritt S109 fort. Die ECU 60 öffnet das Absperrventil 22 und schaltet die Luftpumpe 31 ein (d. h. setzt ihre Rotationsgeschwindigkeit auf eine Geschwindigkeit während eines normalen Starts).
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S110 fort und die ECU 60 öffnet das Ventil sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B. Zu dieser Zeit werden die Einspritzvolumina (d. h. die Ti-Werte) der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B derart gesetzt, dass sie niedriger (kleiner) als diejenigen von Schritt S104 sind.
  • Die ECU 60 setzt in Schritt S110 ferner den Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) der ersten Einspritzeinrichtung 23A derart, dass er kürzer als das Intervall ist und öffnet das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A intermittierend. Die ECU 60 setzt zudem, wie für die zweite Einspritzeinrichtung 23B, ihren Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) gleichermaßen derart, dass er kürzer als das Intervall ist und öffnet das Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B intermittierend.
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S111 fort und die ECU 60 beginnt damit, dass Öffnen und Schließen des Spülventils 26 in einer dem obigen Schritt S106 ähnlichen Weise zu regeln/steuern. In diesem Fall beginnt die ECU 60 sofort damit, das Öffnen und Schließen des Spülventils 26 zu regeln/steuern, um das innere Gas des Anodendurchgangs 12 mit Wasserstoff zu ersetzen, ohne darauf zu warten, dass der Anodendruck den vorbestimmten Wert überschreitet, nachdem die Ventile der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B geöffnet sind.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S112 fort und die ECU 60 bestimmt, ob der Staat beendet worden ist oder nicht. In Schritt S112, wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start nicht beendet worden ist (d. h. Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S110 zurück. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start beendet worden ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu Schritt S113 fort.
  • In Schritt S113 schaltet die ECU 60 das Schütz 45 ein (d. h. verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit der externen Last) und beginnt damit, dass der Brennstoffzellenstapel 10 einen erzeugten Strom ausgibt.
  • In der Zwischenzeit wird auf den in 7 dargestellten Zeitablauf für die Beschreibung Bezug genommen. Zur Zeit t1 wird ein Startsignal (AN-Signal) des IG 51 detektiert. Zu dieser Zeit, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist (d. h. S101, Ja), öffnet die ECU 60 das Absperrventil 22 und beginnt damit, die Luftpumpe 31 und die Wasserstoffpumpe 27 zu betreiben (S102).
  • Anschließend, zur Zeit t2, wenn eine vorbestimmte Dauer T1 seit der Zeit t1 verstrichen ist, öffnet die ECU 60 das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A (INJ A) kontinuierlich und öffnet das Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP) periodisch. Aufgrund dieser Vorgehensweise beginnt der Anodendruck Pa damit, zuzunehmen und beginnt die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 (d. h. die FC-Spannung) damit, größer zu werden.
  • Dann, zur Zeit t3, wenn der Anodendruck Pa einen vorbestimmten Wert (d. h. einen Solldruck) erreicht, beginnt die ECU 60 damit, das Öffnen und Schließen des Spülventils 26 zu regeln/steuern (d. h. in Schritt S105, Ja; Schritt S106). Es wird darauf hingewiesen, dass sogar wenn das Spülventil 26 nach dem Einleiten des Öffnens der Ventile der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B geöffnet wird, der hochkonzentrierte Wasserstoff (mit einer vorbestimmten Konzentration) nicht außerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs emittiert werden wird, da die Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 31 derart gesetzt ist, dass sie höher als diejenige während eines normalen Starts ist.
  • Des Weiteren, nach der Zeit t3, wird das Spülventil 26 geöffnet und geschlossen, um Luft in dem Anodendurchgang 12 mit Wasserstoff zu ersetzen, so dass Gas von dem den Anodendurchgang 12 umfassenden Anodenzirkulationssystems entfernt wird. Die erste Einspritzeinrichtung 23A wird dann in Abhängigkeit von der entfernten Menge geöffnet und geschlossen, um periodisch Wasserstoff an den Anodendurchgang 12 zuzuführen. Es wird darauf hingewiesen, dass zur Zeit t3 die zweite Einspritzeinrichtung 23B geschlossen wird, wodurch eine Wasserstoffzufuhr von der zweiten Einspritzeinrichtung 23B gestoppt wird.
  • Danach, zur Zeit t4, ist eine vorbestimmte Dauer verstrichen, seitdem die ECU 60 damit begonnen hat, das Öffnen und Schließen des Spülventils 26 zu regeln/steuern und die ECU 60 bestimmt, dass der Start beendet worden ist (d. h. in Schritt S107, Ja). Zu dieser Zeit wird das Schutz 45 eingeschaltet und der Vorgang tritt in die normale Leistungserzeugung ein, während derer der erzeugte Strom von dem Brennstoffzellenstapel 10 aufgenommen wird (d. h. Schritt S108). Es wird darauf hingewiesen, dass während der normalen Leistungserzeugung nach Beenden des Startvorgangs das Öffnen und Schließen des Ventils in Abhängigkeit von dem auszugebendem erzeugten Strom geregelt/gesteuert wird und Wasserstoff periodisch zugeführt wird.
  • Wie oben beschrieben, wenn die ECU 60 in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dieser Ausführungsform bestimmt, dass die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist, wird der Solldruck (d. h. der Anodendruck Pa) beim Start des Brennstoffzellenstapels 10 (zur Zeit von IG-AN) derart gesetzt, dass er für die Zufuhr höher als derjenige ist (siehe 3A), wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T kleiner als die vorbestimmter Dauer ist (siehe 3B). Diese Einstellung ermöglicht es, ein Mischen von Luft (Oxidationsmittelgas) und Wasserstoff (Brennstoffgas) in dem Anodendurchgang 12 zu begünstigen. Diese Einstellung kann ebenso verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist, wodurch sie in der Lage ist, eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 10 zu verringern.
  • Das bedeutet, dass der Solldruck (d. h. der Anodendruck) derart gesetzt ist, dass er höher als derjenige während eines normalen Starts ist. Folglich wird die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 schnell verringert. Dementsprechend kann diese Einstellung verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist.
  • Des Weiteren wird in dieser Ausführungsform, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T des Brennstoffzellenstapels 10 verlängert, der Solldruck gesetzt, um höher zu sein. Dies umgeht die Notwendigkeit, den Solldruck einzustellen, um unnötig (verschwenderisch) hoch zu sein. Aus diesem Grund besteht keine Notwendigkeit, die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B unnötig (verschwenderisch) zu betreiben, was den Leistungsverbrauch reduzieren kann.
  • Ebenso wird in dieser Ausführungsform die Druckerhöhung des Anodendrucks Pa derart gesetzt (siehe 6A), dass sie niedriger als diejenige während einer normalen Leistungserzeugung ist (siehe 6B). Diese Einstellung kann verhindern, dass eine Wasserstoffzufuhr während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10 intermittierend ist, wodurch die Mischung aus dem Wasserstoff und der Luft begünstigt wird. Begünstigen der Mischung aus der Luft und dem Wasserstoff kann die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 schnell verringern, was verhindern kann, dass die Brennstoffzelle bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert gehalten wird.
  • Ferner beginnt in dieser Ausführungsform die ECU 60 damit, die Wasserstoffpumpe 27 (eine Zirkulationseinrichtung) zu betreiben, bevor die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B angetrieben werden (d. h. vor dem Ausführen des Vorgangs, welcher eine Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit verwendet). Bei diesem Betrieb beginnt die Wasserstoffzufuhr, nachdem sich ein Fluss von Gas (hauptsächlich Luft) in dem Anodenzirkulationssystems (z. B. die Verbindungsdurchgänge 27a und 27b, die Leitungen 24a und 26a) aufgebaut hat, wodurch das Mischen der Luft und des Wasserstoffs weiter begünstigt wird. Dementsprechend kann diese Einstellung die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 rasch verschieben, was definitiv verhindern kann, dass die Brennstoffzelle bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist.
  • Darüber hinaus kann in dieser Ausführungsform eine elektronisch geregelte/gesteuerte Einspritzeinrichtung als die Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit verwendet werden, so dass eine genauere Regelung/Steuerung ausgeführt werden kann.
  • Außerdem kann in dieser Ausführungsform, während die Offenes-Ventil-Bedingungen der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B beibehalten werden, die ECU 60 kontinuierlich Wasserstoff zuführen, was die Mischung, welche Wasserstoff als einen Ersatz für Luft verwendet, weiter unterstützt. Demgemäß kann diese Einstellung die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 rasch verschieben, was sicher verhindern kann, dass die Brennstoffzellen bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert gehalten ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt und kann auf geeignete Weise innerhalb eines Ausmaßes, welches vom Umfang der vorliegenden Erfindung nicht abweicht, modifiziert werden. Die erste Ausführungsform wird dazu verwendet, anhand eines Beispiels den Fall, wo die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit T bestimmt wird, gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer zu sein, als einen Zustand zu beschreiben, bei welchem ein Vorgang zum Erhöhen eines Solldrucks während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10 ausgeführt wird. Der Zustand ist nicht auf den obigen Fall beschränkt. Der Fall kann basierend darauf bestimmt werden, ob Luft (Oxidationsmittelgas) dazu verwendet wird, den Anodendurchgang 12 während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit (d. h. zur Zeit von IG-AUS) zu reinigen oder nicht.
  • Obwohl von einer Darstellung abgesehen wurde, kann das System insbesondere umfassen: eine Einlassleitung, welche Luft (Oxidationsmittelgas) durch Verbinden der Leitungen 31a und 24a führt; und ein Einlass-Absperrventil, welches diese Einlassleitung blockiert. Das Einlass-Absperrventil und das Spülventil 26 sind während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit offen. Die Einlassleitung wird dann dazu verwendet, Luft von der Luftpumpe 31 in Durchgänge einzuspritzen, welche den Anodendurchgang 12 umfassen, um die Durchgänge zu reinigen. Infolgedessen wird das innere Gas des Anodendurchgangs 12 durch die Luft ersetzt. Dementsprechend, wenn der Anodendurchgang in einer solchen Weise gereinigt wird, wird ein Vorgang zum Erhöhen eines Solldrucks (d. h. eines Anodendrucks Pa) während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10 ausgeführt. Dieser Vorgang kann verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist.
  • Währenddessen wird die erste Ausführungsform dazu verwendet, anhand eines Beispiels den Fall zu beschreiben, wo sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B in Schritt S104 betrieben werden. Jedoch können entweder die erste Einspritzeinrichtung 23A oder die zweite Einspritzeinrichtung 23B betrieben werden, während die andere gestoppt ist.
  • Daneben wird die erste beschriebene Ausführungsform dazu verwendet, anhand eines Beispiels den Fall zu beschreiben, wo bei der Regelung/Steuerung der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B das Intervall konstant bleibt und der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) modifiziert wird. Diese Fälle sind nicht auf den obigen Fall beschränkt, und der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) kann konstant gehalten werden und das Intervall kann modifiziert werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 unter Bezugnahme auf die 9 bis 15 beschrieben. Zunächst wird anhand der 9 und 10 der Betrieb (d. h. Betrieb mit Rückkopplungsregelung/-steuerung) während einer normalen Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 beschrieben. Anschließend wird anhand der 11 bis 15 der Betrieb (d. h. Betrieb ohne die Rückkopplungsregelung/-steuerung) während eines Starts des Brennstoffzellenstapel 10 beschrieben.
  • Wie in 9 dargestellt, detektiert die ECU 60 in Schritt S121 einen Druck (einen Anodendruck) Pa des Anodendurchgangs 12 unter Verwendung des Drucksensors 28.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S122 fort und berechnet die ECU 60 sowohl ein Wasserstoff-Einspritzvolumen QI und ein Wasserstoff-Einspritzvolumen QFB. Es wird darauf hingewiesen, dass das Wasserstoff-Einspritzvolumen QI basierend auf einem erzeugten Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 berechnet wird. Das bedeutet, dass das Wasserstoff-Einspritzvolumen QI einem Volumen von Wasserstoff entspricht, welches in dem Brennstoffzellenstapel 10 pro Zeiteinheit zur Zeit eines Detektierens des erzeugten Stroms verbraucht wird. Das Wasserstoff-Einspritzvolumen QFB wird basierend auf einer Differenz zwischen einem Soll-Anodendruck und dem in Schritt S121 detektieren Anodendruck Pa berechnet. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der Soll-Anodendruck größer als (>) der detektierte Anodendruck ist, QFB größer als (>) 0 ist.
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S123 fort und die ECU 60 berechnet ein Soll-Wasserstoff-Einspritzvolumen Q durch Addieren des Wasserstoff-Einspritzvolumens QFB zu dem Wasserstoff-Einspritzvolumen QI.
  • Danach schreitet der Vorgang zu Schritt S124 fort, die ECU 60 verwendet das in 10 gezeigte Diagramm, um Ti-Werte (d. h. Ventil-Offen-Dauer) der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zu berechnen. Wie in 10 dargestellt, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q zunimmt, wird der Ti-Wert der ersten Einspritzeinrichtung 23A (INJ A) gesetzt, um höher zu sein. Wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q gleich Qs ist, entspricht das Ventil einem Zustand, in welchem es vollständig offen ist. Wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q zudem Qs überschreitet, arbeitet die zweite Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP). Wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumens Q zunimmt, wird der Ti-Wert in dieser Einstellung höher.
  • Wenn beispielsweise das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q gleich oder kleiner als das Wasserstoff-Einspritzvolumen Qs ist (d. h. in dem Fall von Q100) ist nur die erste Einspritzeinrichtung 23A in Betrieb und der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) der ersten Einspritzeinrichtung 23A wird gesetzt, um Ti100 zu sein. Wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q das Wasserstoff-Einspritzvolumen Qs überschreitet (d. h. in dem Fall von Q200), werden sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B in Betrieb gesetzt. Der Ti-Wert der ersten Einspritzeinrichtung 23A wird gesetzt, um Ti201 zu sein (vollständig offen). Der Ti-Wert der zweiten Einspritzeinrichtung 23B wird gesetzt, um Ti202 zu sein. Das bedeutet, wenn das nur von der ersten Einspritzeinrichtung 23A eingespritzte Wasserstoff-Einspritzvolumen unzureichend ist, werden sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B in Betrieb gesetzt, um ein notwendiges Wasserstoff-Einspritzvolumen zu liefern.
  • Schließlich schreitet der Vorgang zu Schritt S125 fort, die ECU 60 hat nur die erste Einspritzeinrichtung 23A für die Ventil-Offen-Dauer Ti100 offen oder hat die erste Einspritzeinrichtung 23A für die Ventil-Offen-Dauer Ti201 offen und die zweite Einspritzeinrichtung 23B für die Ventil-Offen-Dauer Ti202 offen, um Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel 10 einzubringen. Es wird darauf hingewiesen, dass das berechnete Soll-Wasserstoff-Einspritzvolumen Q dazu verwendet wird, zu bestimmen, ob nur die erste Einspritzeinrichtung 23A oder sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B eingesetzt werden.
  • Währenddessen, wie in 11 dargestellt, während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 10, wird zuerst ein AN-Signal des IG 51 detektiert (Starten des Brennstoffzellenstapel 10). Anschließend wird in Schritt S201 eine Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels 10 gemessen und eine Stillstandszeit-Bestimmungseinheit bestimmt, ob die Stillstandszeit gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer ist oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass die Stillstandszeit eine Dauer bezeichnet von wenn ein AUS-Signal detektiert wird bis wenn das AN-Signal des IG 51 detektiert wird (d. h. näherungsweise gleich einer Leistungserzeugungs-Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels 10). Es sei ferner bemerkt, dass die Stillstandszeit mit dem Zeitmesser 52 gemessen wird.
  • Es sei ferner bemerkt, dass der Fall, wo die Stillstandszeit gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer ist, einen Zustand beschreibt, in welchem sich Luft sowohl in dem Anodendurchgang 12 als auch dem Kathodendurchgang 13 befindet; wenn der Brennstoffzellenstapel 10 gestartet wird, um Wasserstoff von dem Einlass 12a des Anodendurchgangs 12 zu liefern, eine Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 erzeugt wird; und der Brennstoffzellenstapel 10 somit bei einem hohen Potenzial polarisiert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass zum Beispiel Luft in dem Anodendurchgang 12 von dem Kathodendurchgang 13 kommt und Luft in dem Kathodendurchgang 13 durch eine Elektrolytmembran in den Anodendurchgang 12 während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit dringt. Ein Mechanismus, mit welchem der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial polarisiert wird, wurde bereits beschrieben und übersprungen.
  • In Schritt S201, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Stillstandszeit gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer (d. h. Ja) ist, schreitet der Vorgang zu Schritt S202 fort. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Stillstandszeit kleiner als die vorbestimmte Dauer (d. h. Nein) ist, schreitet der Vorgang zu S212 fort. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der Vorgang zu Schritt S202 fortschreitet, eine Rückkopplungsregelung/-steuerung abgebrochen wird.
  • In Schritt S202 erhält die ECU 60 jeweils einen Anodendruck Pa, einen Kathodendruck Pc und eine Anodenauslasstemperatur Ta. Es wird darauf hingewiesen, dass der Anodendruck Pa, der Kathodendruck Pc und die Anodenauslasstemperatur Ta mit dem Drucksensor 28, dem Drucksensor 35 bzw. dem Temperatursensor 29 detektiert werden.
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S203 fort und die ECU 60 berechnet ein Wasserstoff Einspritzvolumen Q und eine Wasserstoff-Kontinuierliche-Einspritz-Dauer T (kontinuierliche Zufuhrdauer).
  • Es wird darauf hingewiesen, dass das Wasserstoff-Einspritzvolumen Q basierend auf den folgenden Gleichungen (A) und (B) berechnet wird: Pb = Pc + Pdp ;(A) und Q = (Pb – Pa) × Va/(R × (Ta + 273,15)), (B) wobei Pb eine Obergrenze eines Anodendrucks ist;
    • Pdp
    eine Obergrenze einer Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode ist;
    Va
    ein Volumen des Anodendurchgangs (ein fester Wert) ist; und
    R
    eine Gaskonstante ist.
  • Zudem wird die Wasserstoff-Kontinuierliche-Einspritz-Dauer T basierend auf dem in 12 gezeigten Diagramm berechnet (d. h. durch eine Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit). Speziell wird in dem Diagramm von 12, wenn die Stillstandszeit zunimmt, die Wasserstoff-Kontinuierliche-Einspritz-Dauer T länger. Dies liegt daran, dass, wenn die Stillstandszeit zunimmt, ein Verhältnis von der Luft in dem Anodendurchgang 12 größer wird. Mit anderen Worten nimmt eine Gesamtmenge von Luft, welche durch eine Elektrolytmembran von dem Kathodendurchgang 13 in den Anodendurchgang 12 dringt, zu. Somit ist es notwendig, die Mischung aus dem Wasserstoff und der Luft innerhalb des Anodendurchgangs 12 zu begünstigen, indem die Dauer der kontinuierlichen Wasserstoffinjektion verlängert wird. Es wird darauf hingewiesen, dass das Diagramm in 12 unter Verwendung eines vorhergehenden Tests etc. erstellt wurde.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S204 fort und die ECU 60 berechnet ein Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit (Q/T) basierend auf dem Wasserstoff-Einspritzvolumen Q und der in Schritt S203 berechneten Wasserstoff-Kontinuierliche-Einspritz-Dauer T.
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S205 fort, die ECU 60 verwendet das in 13 gezeigte Diagramm, um ein Verteilungsvolumen von Wasserstoffinjektionen zwischen der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zu berechnen. Wie in 13 dargestellt, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit Q/T anwächst, wird das Wasserstoff-Einspritzvolumen der ersten Einspritzeinrichtung 23A (INJ A) höher. In dieser Einstellung, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit Q/T gleich Qt ist, ist das Ventil vollständig offen. Ebenso, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit Q/T Qt überschreitet, wird die zweite Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP) angetrieben. Wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit Q/T anwächst, wird das Wasserstoff-Einspritzvolumen in dieser Einstellung höher.
  • Insbesondere, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit (Q/T) gleich oder kleiner als Qt ist (d. h. in dem Fall von Q1), ist wohl die erste Einspritzeinrichtung 23A in Betrieb und das Wasserstoff-Einspritzvolumen der ersten Einspritzeinrichtung 23A wird gesetzt, um Q11 zu sein. Andererseits, wenn das Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit (Q/T) das Qt überschreitet (d. h. in dem Fall von Q2), sind sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B in Betrieb. Das Wasserstoff-Einspritzvolumen der ersten Einspritzeinrichtung 23A wird gesetzt, um auf Q22 zu sein (vollständig offen). Das Wasserstoff-Einspritzvolumen der zweiten Einspritzeinrichtung 23B wird gesetzt, um auf Q21 zu sein. Im Hinblick auf die obigen Erläuterungen wird das berechnete Wasserstoff-Einspritzvolumen pro Zeiteinheit Q/T dazu verwendet, zu bestimmen, ob nur die erste Einspritzeinrichtung 23A in Betrieb gesetzt ist oder sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B in Betrieb gesetzt sind.
  • Der Vorgang schreitet dann zu Schritt S206 fort und die ECU 60 öffnet das Absperrventil 22 und treibt die Luftpumpe 31 bei einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit oder höher an (d. h. höher, als wenn die Leistung auf normale Weise erzeugt wird). Der Grund, weshalb hier eine Menge der zugeführten Luft erhöht wird, liegt darin, Wasserstoff zu verdünnen, welcher in Anodenabgas enthalten ist, das von dem Anodendurchgang 12 abgeführt wird, wenn das Spülventil 26 in Schritt S213, wie unten beschrieben, geöffnet wird.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S207 fort und die ECU 60 startet die Wasserstoffpumpe 27 und Wasserstoff wird von der ersten Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B) eingespeist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Schritte S202, S203, S204, S205 und S207 in dieser Ausführungsform einem Vorgang entsprechen, welcher durch eine Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit ausgeführt wird.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S208 fort und die ECU 60 bestimmt, ob die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder größer als ein Schwellenwert ist oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode ein Wert ist, welcher durch Subtrahieren des mit dem Drucksensor 35 detektierten Kathodendrucks Pc von dem mit dem Drucksensor 28 detektierten Anodendruck Pa erhalten wird. Zudem entspricht der Schwellenwert einer Obergrenze Pdp der Druckdifferenz zwischen der Anode und Kathode.
  • In Schritt S208, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode gleich oder größer als der Schwellenwert (d. h. Ja) ist, schreitet der Vorgang zu Schritt S209 fort. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode kleiner als der Schwellenwert (d. h. Nein) ist, schreitet der Vorgang zu S211 fort.
  • In Schritt S209 regelt/steuert die ECU 60 die Luftpumpe 31. Speziell wird Wasserstoff von der ersten Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B) eingespeist, um den Anodendruck Pa zu erhöhen. Dementsprechend, wenn die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode gleich oder größer als der Schwellenwert ist, erhöht die ECU 60 eine Rotationsgeschwindigkeit (Antriebsbetrag) eines Motors der Luftpumpe 31. Dies ermöglicht es, die Druckdifferenz (d. h. die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathoe) zwischen dem Anodendruck Pa und dem Kathodendruck Pc auf einen Druck einzustellen, welcher nicht zu groß wird.
  • Anschließend schreitet der Vorgang zu Schritt S210 fort und die ECU 60 stellt den Kathodendruck Pc unter Verwendung der Luftpumpe 31 ein. Die ECU 60 bestimmt dann, ob die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode kleiner als der Schwellenwert ist oder nicht. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode kleiner als der Schwellenwert ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu S211 fort. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode nicht kleiner als der Schwellenwert ist (d. h. Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S209 zurück.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die Schritte S208, S209 und S210 in der zweiten Ausführungsform einem Vorgang entsprechen, welcher durch eine Start-Differentialdruck-Einstellungseinheit ausgeführt wird.
  • In Schritt S211 bestimmt die ECU 60, ob der mit dem Drucksensor 28 detektierte Anodendruck Pa gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist oder nicht. Es wird darauf hingewiesen, dass der vorbestimmte Wert derart gesetzt wird, dass er ein Druck (d. h. ein Solldruck) ist, welcher zum Verschieben der Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 benötigt wird. Zudem wird der vorbestimmte Wert basierend auf einem vorhergehenden Test etc. bestimmt. Es sei ferner bemerkt, dass der vorbestimmte Wert nicht auf einen Druckwert beschränkt ist, sondern basierend auf einem Zeitverlauf definiert sein kann.
  • In Schritt S211, wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck Pa kleiner als der vorbestimmte Wert ist (d. h. Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S208 zurück. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Anodendruck Pa gleich oder größer als der vorbestimmte Wert ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu S213 fort.
  • In Schritt S213 regelt/steuert die ECU 60 das Öffnen und Schließen des Spülventils 26. Es wird darauf hingewiesen, dass der Grund, weshalb die Öffnungs- und Schließ-Regelung/Steuerung des Spülventils 26 nach Einleiten eines Betriebs der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B beginnt, darin liegt, die Wasserstoff-Konzentrationsdifferenz zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 zu einem früheren Zeitpunkt zu verschieben, indem der Anodendruck Pa schnell erhöht wird. Zudem, sogar wenn das Spülventil 26 in diesem Schritt geöffnet wird, wird kein hochkonzentrierter Wasserstoff außerhalb eines Fahrzeugs emittiert, da ein Betriebsdruck der Luftpumpe 31 höher als derjenige während einer normalen Leistungserzeugung ist.
  • Weiterhin schaltet die ECU 60 in Schritt S213, obwohl nachfolgend nicht in einer Fig. gezeigt ist, den Betrieb der ersten Einspritzeinrichtung 23A von dem vollständig offenen Betrieb in den Ventil-Öffnungsregelungs/-steuerungs-Betrieb um, in welchem sich die erste Einspritzeinrichtung 23A in Reaktion auf das sich öffnende Spülventil 26 bei geschlossen gehaltenem Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B öffnet. Das bedeutet, dass die ECU 60 das Öffnen und Schließen (d. h. den Ti-Wert regelt/steuert; der Ti-Wert < das Intervall) des Ventils der ersten Einspritzeinrichtung 23A in einer solchen Weise regelt/steuert, dass eine Menge (Volumen) von Wasserstoff, welche gleich einer Gasmenge ist, welche durch das Spülventil 26, während es offen ist, abgeführt wird, durch die erste Einspritzeinrichtung 23A eingespritzt wird. Somit wird die erste Einspritzeinrichtung 23A geregelt/gesteuert, um den Anodendruck Pa konstant zu halten.
  • Danach schreitet der Vorgang zu Schritt S214 fort und die ECU 60 bestimmt, ob der Start beendet worden ist oder nicht. Der Fall, wo der Start beendet worden ist, bezeichnet einen Fall, wo die ECU 60 bestimmt, dass ein vorbestimmtes Gasvolumen seit dem Öffnen (Öffnen und Schließen) des Spülventils 26 entfernt (ausgestoßen) worden ist. Ob das vorbestimmte Gasvolumen entfernt worden ist oder nicht, kann beispielsweise basierend auf der Ventil-Offen-Dauer des Spülventils 26 bestimmt werden.
  • In Schritt S214, wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start nicht beendet worden ist (d. h. Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S208 zurück. Wenn die ECU 60 bestimmt, dass der Start beendet worden ist (d. h. Ja), schreitet der Vorgang zu Schritt S215 fort.
  • In Schritt S215 schaltet die ECU 60 das Schütz 45 ein (d. h. verbindet den Brennstoffzellenstapel 10 mit der externen Last) und beginnt damit, dass der Brennstoffzellenstapel 10 einen erzeugten Strom ausgibt. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 31 höher als diejenige ist, welche für eine normale Leistungserzeugung benötigt wird, die Rotationsgeschwindigkeit auf ein normales Maß abgesenkt wird. Der von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebene erzeugte Strom wird der externen Last, wie etwa dem Motor 41 und der Luftpumpe 31, zugeführt. Zudem regelt/steuert die ECU 60 das Öffnen und Schließen (d. h. regelt/steuert den Ti-Wert) der ersten Einspritzeinrichtung 23A nach Maßgabe, wie groß der von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebene erzeugte Strom ist.
  • Des Weiteren, in Schritt S201, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Stillstandszeit kleiner als die vorbestimmte Dauer ist (d. h. Nein), schreitet der Vorgang zu Schritt S212 fort. Die ECU 60 öffnet dann das Absperrventil 22, schaltet die Luftpumpe 31 ein (bei einer Rotationsgeschwindigkeit während eines normalen Start) und injiziert ferner Wasserstoff von der ersten Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B). Danach führt die ECU 60 Vorgänge der Schritte S213 bis S215 aus. Es wird darauf hingewiesen, dass in diesem Fall (d. h. in Schritt S201, Nein) eine Rückkopplungsregelung/-steuerung auf die erste Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B) angewendet wird.
  • 8 wurde bereits dazu verwendet, einen Mechanismus zu beschreiben, durch welchen ein Wasserstoff-Konzentrationsunterschied zwischen der Seite des Einlasses 12a und der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 den Brennstoffzellenstapel 10 dazu veranlasst, bei einem hohen Potenzial polarisiert zu bleiben. Deshalb wird dessen Beschreibung ausgelassen.
  • Indessen wird unter Bezugnahme auf das in 14 gezeigte Zeitdiagramm die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform erläutert. Es wird Öffnungs- und Schließ-Regelung/Steuerung darauf hingewiesen, dass nachfolgend anhand eines Beispiels der Fall beschrieben wird, wo sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B betrieben werden. Außerdem weist in dieser Beschreibung die zweite Einspritzeinrichtung 23B eine Fähigkeit auf, ein größeres Wasserstoffvolumen als die erste Einspritzeinrichtung 23A zu injizieren.
  • Zur Zeit t1 wird ein Startsignal des IG 51 (d. h. Start des Brennstoffzellenstapels 10) detektiert. Zu dieser Zeit, wenn die ECU 60 bestimmt, dass die Stillstandszeit gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer ist (d. h. in Schritt S201, Ja), schreitet der Regelungs-/-Steuerungsbetrieb der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zu einem Vorgang fort, um die Rückkopplungsregelung/-steuerung an der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B zu beenden. Dieser Vorgang beginnt damit, dass die ECU 60 das Absperrventil 22 öffnet und die Luftpumpe 31 betreibt (bei einer vorbestimmten Rotationsgeschwindigkeit oder höher) (d. h. Schritt S206).
  • Wenn eine vorbestimmte Dauer T1 seit der Zeit t1 verstrichen ist, beginnt die ECU 60 zur Zeit 12 anschließend damit, das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A (INJ A) kontinuierlich zu öffnen (d. h. vollständig zu öffnen) und das Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B (INJ BP) periodisch zu öffnen. Während diese Ventilregelung/-steuerung abläuft, werden die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B geregelt/gesteuert, um Wasserstoff bei konstant gehaltener Ventil-Offen-Dauer (d. h. der Ti-Wert, eine Ventilöffnungsrate) pro Intervall (Antriebsdauer) sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B einzuspritzen. Das bedeutet, dass der Ti-Wert der ersten Einspritzeinrichtung 23A gleich dem Intervall ist, so dass das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A kontinuierlich geöffnet (d. h. vollständig geöffnet) wird. Andererseits wird der Ti-Wert der zweiten Einspritzeinrichtung 23B kleiner als das Intervall gehalten, so dass das Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B periodisch geöffnet wird. Dadurch nimmt der Anodendruck Pa sukzessive zu und nimmt auch die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 (d. h. die FC-Spannung) zu.
  • Da die Wasserstoffpumpe 27 zur Zeit t2 startet, wird ein Gasfluss in einem Zirkulationsdurchgang, welcher den Anodendurchgang 12 und die Leitungen 26a, 27a, 27b und 24a umfasst, aufgebaut. Folglich kann das Mischen der Luft und des Wasserstoffs in dem Anodendurchgang 12 erleichtert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Wasserstoffpumpe 27 zur Zeit t1 vor der Zeit t2 gestartet werden kann, wenn die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B den Betrieb aufnehmen. Dieser Betrieb kann den Gasfluss in dem Zirkulationsdurchgang erzeugen, bevor die erste Einspritzeinrichtung 23A oder/und die zweite Einspritzeinrichtung 23B Wasserstoff liefern, wodurch er dazu in der Lage ist, das Mischen der Luft und des Wasserstoffs zu begünstigen.
  • Zur Zeit t3, wenn der Anodendruck Pa einen vorbestimmten Wert (d. h. einen Solldruck) erreicht, beginnt die ECU 60 damit, dass Öffnen und Schließen des Spülventils 26 zu regeln/steuern (d. h. in Schritt S211, Ja; Schritt S213). Zudem regelt/steuert zur Zeit t3 die ECU 60 den Ti-Wert der ersten Einspritzeinrichtung 23A und das Öffnen des Spülventils 26. In Abhängigkeit von einer Menge von Spülgas (ein Wasserstoffvolumen), welches außerhalb eines Fahrzeugs emittiert wird, wird das Ventil der ersten Einspritzeinrichtung 23A bei geschlossen gehaltenem Ventil der zweiten Einspritzeinrichtung 23B (d. h. der Ti-Wert = 0) periodisch geöffnet. Es wird darauf hingewiesen, dass sogar wenn das Öffnen und Schließen des Spülventils 26 nach dem Öffnen der Ventile der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B geregelt/gesteuert wird, wird hochkonzentrierter Wasserstoff (mit einer vorbestimmten Konzentration) nicht außerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs emittiert werden, da die Rotationsgeschwindigkeit der Luftpumpe 31 derart gesetzt wird, dass sie höher als diejenige während eines normalen Starts ist.
  • Dann, zur Zeit 14, wenn eine vorbestimmte Dauer verstrichen ist, seitdem die ECU 60 damit beginnt, das Öffnen und Schließen des. Spülventils 26 zu regeln/steuern, und die ECU 60 bestimmt, dass der Startvorgang beendet worden ist (d. h. in Schritt S214, Ja). Zu dieser Zeit wird das Schütz 45 eingeschaltet und der Vorgang tritt in eine normale Leistungserzeugung ein, während welcher der erzeugte Strom von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgegeben wird (d. h. Schritt S215).
  • Wie oben beschrieben, wird in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dieser Ausführungsform die Rückkopplungsregelung/-steuerung (siehe 2) an der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 10 beendet (d. h. die Rückkopplungsregelung/-steuerung wird verhindert). Somit wird Wasserstoff eingespritzt, während der Ti-Wert (d. h. die Ventil-Offen-Dauer) pro Intervall (Antriebsdauer) konstant gehalten wird. Dementsprechend, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 unter einer Bedingung startet, unter welcher das innere Gas des Anodendurchgangs während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit mit Luft ersetzt wird, so dass sowohl der Anodendurchgang 12 als auch der Kathodendurchgang 13 die Luft aufweisen, können die Luft und das Brennstoffgas effizient in dem Anodendurchgang 12 gemischt werden. Infolgedessen wird der Brennstoffzellenstapel 10 daran gehindert, bei einem hohen Potenzial polarisiert zu bleiben und eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 10 wird unterdrückt.
  • Währenddessen, wie in einer Vergleichsausführungsform von 15B dargestellt, wenn eine Rückkopplungsregelung/-steuerung dazu verwendet wird, die Einspritzeinrichtungen (d. h. die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B) in dem Brennstoffzellensystem 1 zu regeln/steuern, wird eine Ventil-Offen-Dauer pro Intervall (Antriebsdauer), Ti10 (d. h. eine Ventil-Offen-Dauer), zum Betreiben der Einspritzeinrichtungen einfach basierend auf einem Soll-Anodendruck bestimmt, welcher beim Start des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet wird (z. B. sind die Ventile der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B nahezu vollständig geöffnet). Der Anodendruck erreicht dann schnell den Soll-Anodendruck und eine Wasserstoffzufuhr von den Einspritzeinrichtungen wird beendet werden. Wenn der Betrieb der Einspritzeinrichtungen (wobei die Ventil-Offen-Dauer pro Intervall Ti11 ist) nach Beenden der Wasserstoffzufuhr neu startet, wird der Wasserstoff zugeführt, bis der Anodendruck den Soll-Anodendruck erreicht. Wenn die Wasserstoffzufuhr eingeleitet wird und dann auf halbem Weg gestoppt wird, wird der Wasserstoff dem Anodendurchgang 12 intermittierend zugeführt. Wie in 8 dargestellt, wenn die Seite des Einlasses 12a des Anodendurchgangs 12 Wasserstoff aufweist und die Einlassseite des Kathodendurchgangs 13 Sauerstoff aufweist, wird das Mischen der Luft und des Wasserstoffs in dem Anodendurchgang 12 nicht begünstigt und Luft verbleibt sowohl an der Seite des Auslasses 12b des Anodendurchgangs 12 als auch der Auslassseite des Kathodendurchgangs 13 für eine lange Zeit, was dazu führt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert gehalten wird.
  • Hier, in dieser Ausführungsform, wird die Rückkopplungsregelung/-steuerung während des Startvorgangs des Brennstoffzellenstapels 10, wie in 15A dargestellt, unterbunden. Während die Ventil-Offen-Dauer pro Intervall (Antriebsdauer) konstant gehalten wird, werden die Einspritzeinrichtungen (die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B) geregelt/gesteuert. Demgemäß können die Einspritzeinrichtungen ständig ohne Stopp auf halbem Weg betrieben werden, bis ein Anodendruck den Soll-Anodendruck erreicht (d. h. einen Solldruck). Dieser Betrieb begünstigt das Mischen des Wasserstoffs und der Luft in dem Anodendurchgang 12 und ermöglicht es, den Brennstoffzellenstapel 10 daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert zu sein. Es wird daraufhingewiesen, dass 15A ein Bild ist, welches eine Bedingung anzeigt, in welcher der Ti-Wert, ohne Unterscheidung zwischen der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B, pro Intervall festgelegt ist.
  • Insbesondere wird in dieser Ausführungsform die erste Einspritzeinrichtung dazu gebracht, vollständig geöffnet und festgelegt zu sein (siehe INJ A von den Zeiten t2 bis t3 der 14) und wird die zweite Einspritzeinrichtung 23B geöffnet und geschlossen, welcher Betrieb festgelegt ist (siehe INJ BP von den Zeiten t2 bis t3 der 14). Dementsprechend wird Wasserstoff von der ersten Einspritzeinrichtung 23A und der zweiten Einspritzeinrichtung 23B geliefert. Danach, wenn der Anodendruck Pa den Solldruck erreicht, wechselt der Betrieb der ersten Einspritzeinrichtung 23A von einem vollständig offenen Betrieb (d. h. festgelegter Betrieb) zu der Öffnungs- und Schließ-Regelung/Steuerung (siehe INJ A nach der Zeit t3 der 14). Eine durch das Spülventil hindurch abgeführte Wasserstoffmenge wird geliefert. In dieser Hinsicht ist die zweite Einspritzeinrichtung 23B vollständig geschlossen (siehe INJ BP nach der Zeit t3 der 14).
  • Es wird darauf hingewiesen, dass ein Öffnungsgrad (d. h. ein Ti-Wert) der zweiten Einspritzeinrichtung 23B von den Zeiten t2 bis t3 in 14 gemäß dem Solldruck bestimmt wird und sollte derart bestimmt werden, dass er den Anodendruck nicht zu schnell erhöht. In dieser Hinsicht wird jedoch, wenn der Anodendruck zu schnell ansteigt, die Wasserstoffzufuhr intermittierend, was das Mischen der Luft und des Wasserstoffs nicht begünstigt. Dementsprechend wird dem Ti-Wert der zweiten Einspritzeinrichtung 23B eine Obergrenze gegeben, bei und unter welcher der Anodendruck daran gehindert wird, schnell anzusteigen, Wasserstoff kontinuierlich geliefert wird und das Mischen der Luft und des Wasserstoffs begünstigt wird.
  • Des Weiteren, wie in 15A dargestellt, wird eine Erhöhungsrate des Anendrucks Pa zum Erhöhen des Anodendrucks Pa auf einen vorbestimmten Wert (d. h. einen Solldruck) in einer vorbestimmten Dauer basierend auf einem vorhergehenden Test etc. vorbestimmt. Unter Berücksichtigung der Verschlechterung und Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 10 wird die Erhöhungsrate auf einen Wert gesetzt (d. h. einen Solldruck, eine vorbestimmte Dauer), für welchen der Brennstoffzellenstapel 10 nicht bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit polarisiert ist.
  • Wenn in dieser Ausführungsform ferner die Stillstandszeit bestimmt wird, gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer zu sein, d. h., nur wenn der Brennstoffzellenstapel 10 unter einer Bedingung startet, unter welcher sowohl der Anodendurchgang 12 als auch der Kathodendurchgang 13 Luft aufweisen, ist die erste Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl die erste Einspritzeinrichtung 23A als auch die zweite Einspritzeinrichtung 23B) in Betrieb, wobei ein festgelegter Ventil-Offen-Dauer-Wert pro Intervall Ti ist. Diese Betriebsweise kann verhindern, dass Wasserstoff ständig zugeführt wird, indem die Ventil-Offen-Dauer pro Intervall konstant gehalten wird, wenn die Wasserstoffzufuhr unnötig ist, und die unnötige (übermäßige) Wasserstoffzufuhr wird vermieden.
  • Des Weiteren umfasst diese Ausführungsform eine solche Konfiguration, um zu ermöglichen, dass die Dauer der kontinuierlichen Wasserstoffinjektion (d. h. eine kontinuierliche Zufuhrdauer) länger wird (siehe Schritt S203 der 11, und 12), wenn die Stillstandszeit zunimmt. Gemäß dieser Konfiguration wird die Dauer der kontinuierlichen Wasserstoffinjektion (d. h. ein Solldruck) in Abhängigkeit von einem Verhältnis der Luft in dem Anodendurchgang 12 variiert, was die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B daran hindert, für eine unnötig (verschwenderische) lange Zeit in Betrieb zu gehalten zu bleiben und den Leistungsverbrauch verringert.
  • Zudem weist diese Ausführungsform eine solche Konfiguration auf, so dass sich die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode auf weniger als den Schwellenwert einstellt, indem die Rotationsgeschwindigkeit (Antriebsbetrag) der Luftpumpe 31 geändert wird, wenn die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode gleich oder größer als der Stellenwert während eines Betriebs der ersten Einspritzeinrichtung 23A (oder sowohl der ersten Einspritzeinrichtung 23A als auch der zweiten Einspritzeinrichtung 23B) bei einem Start des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Diese Konfiguration hält die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode davon ab, zu groß zu werden und kann den Brennstoffzellenstapel 10 daher daran hindern, beschädigt zu werden.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt ist und innerhalb eines Ausmaßes, welches nicht von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abweicht, geeignet modifiziert werden kann. Vorausgesetzt, dass die Rückkopplungsregelung/-steuerung während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10 in der zweiten Ausführungsform untersagt ist, wurde der Fall, bei dem die Stillstandszeit bestimmt wurde, gleich oder größer als die vorbestimmte Dauer zu sein, als ein Beispiel zur Beschreibung herangezogen. Diese Beschreibung ist nicht nur auf diesen Fall beschränkt. Um den Brennstoffzellenstapel beispielsweise vor Gefrieren zu schützen, kann für die Bestimmung in Betracht gezogen werden, ob Luft (Oxidationsmittelgas) dazu verwendet wird, den Anodendurchgang 12 während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit zu reinigen oder nicht.
  • Insbesondere, obwohl nicht in den Figuren gezeigt, kann das System eine anodenreinigende Einlassleitung, welche die Leitungen 31a und 24a verbindet, und ein reinigendes Einlassventil, welches diese anodenreinigende Einlassleitung blockiert, umfassen. Dann, wenn Luft von der Luftpumpe über die anodenreinigende Einlassleitung in einen den Anodendurchgang 12 umfassenden Durchgang injiziert wird, indem das reinigende Einlassventil und das Spülventil 26 geöffnet werden, um den Durchgang während der Leistungserzeugungs-Stillstandszeit zu reinigen, wird das innere Gas des Anodendurchgangs 12 mit der Luft ersetzt. Somit, wenn der Anodendurchgang, wie beschrieben, gereinigt wird, kann ein solcher Vorgang ausgeführt werden, dass die Einspritzeinrichtungen angetrieben sind (die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B), wobei die Ventil-Offen-Dauer pro Intervall (d. h. die Rückkopplungsregelung/-steuerung ist untersagt) während eines Starts des Brennstoffzellenstapels 10 konstant gehalten wird.
  • Indessen werden die erste und zweite Ausführungsform dazu verwendet, als ein Beispiel den Fall zu beschreiben, dass die erste Einspritzeinrichtung 23A und die zweite Einspritzeinrichtung 23B installiert sind. Jedoch kann das Brennstoffzellensystem eine einzelne Einspritzeinrichtung (z. B. die erste Einspritzeinrichtung 23A) umfassen. Alternativ kann die zweite Einspritzeinrichtung 23B durch ein Ventil ersetzt werden, welches bei einer konstanten Strömungsrate und für eine bestimmte Dauer arbeiten kann.
  • Es wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches dazu in der Lage ist, eine Brennstoffzelle daran zu hindern, bei einem hohen Potenzial für eine lange Zeit während eines Starts polarisiert zu sein. Ein Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine erste Einspritzeinrichtung 23A und eine zweite Einspritzeinrichtung 23B in einem Brennstoffgas-Einlassdurchgang. Wenn eine ECU 60 bestimmt, dass eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit gleich oder größer als eine vorbestimmte Dauer bei einem Start eines Brennstoffzellenstapels 10 ist, wird ein Solldruck von Wasserstoff, welcher an einen Anodendurchgang 12 zugeführt wird, gesetzt, um für eine Zufuhr höher zu sein, als wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit kleiner als die vorbestimmte Dauer ist. Außerdem wird, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit des Brennstoffzellenstapels 10 verlängert, der Solldruck gesetzt, um höher zu sein. Zudem wird eine Druckerhöhung in dem Brennstoffzellenstapel gesetzt, um niedriger zu sein als diejenige während einer normalen Leistungserzeugung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2007-323873 A [0002, 0003]

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, welche einen Anodendurchgang, durch den Brennstoffgas an eine Anode zugeführt wird, und einen Kathodendurchgang, durch den Oxidationsmittelgas an eine Kathode zugeführt wird, aufweist; einen Brennstoffgas-Einlassdurchgang, durch welchen das Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingespritzt wird; einen Brennstoffabgas-Auslassdurchgang, durch welchen Brennstoffabgas von der Brennstoffzelle abgeführt wird; eine Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit, welche an dem Brennstoffgas-Einlassdurchgang angeordnet ist und einen Druck des Brennstoffgases einstellt, um das Brennstoffgas dem Anodendurchgang zuzuführen; eine Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit, welche bei einem Start der Brennstoffzelle bestimmt, ob inneres Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird oder nicht; und eine Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit, welche eine Zufuhr des Brennstoffgases an den Anodendurchgang regelt/steuert, während sie einen Solldruck des an den Anodendurchgang zugeführten Brennstoffgases unter Verwendung der Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit derart setzt, dass er höher ist als ein Druck, wenn das innere Gas des Anodendurchgangs nicht mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, falls die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, wenn eine Leistungserzeugungs-Stillstandszeit vor dem Start der Brennstoffzelle gleich oder länger als eine vorbestimmte Dauer ist; und wenn die Anodendurchgangsgas-Ersetzungs-Bestimmungseinheit bestimmt, dass das innere Gas des Anodendurchgangs mit dem Oxidationsmittelgas ersetzt wird, die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit den Solldruck derart setzt, dass er höher ist als der Druck, wenn die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit kürzer als die vorbestimmte Dauer ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit den Solldruck derart einstellt, dass er höher ist, wenn sich die Leistungserzeugungs-Stillstandszeit der Brennstoffzelle verlängert.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit eine Druckerhöhung in dem an den Anodendurchgang zugeführten Brennstoffgas derart setzt, dass sie, wenn das Brennstoffzellensystem startet, niedriger ist als eine Druckerhöhung während einer normalen Leistungserzeugung.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen Verbindungsdurchgang, welcher den Brennstoffgas-Einlassdurchgang und den Brennstoffabgas-Auslassdurchgang verbindet; eine Zirkulationseinrichtung, welche teilweise durch den Verbindungsdurchgang hindurch angeordnet ist und das von einem Auslass des Anodendurchgangs abgeführte Brennstoffabgas an einen Einlass des Anodendurchgangs zurückführt; und eine Zirkulationseinrichtungsbetrieb-Starteinheit, welche einen Betrieb der Zirkulationseinrichtung startet, bevor die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit das Brennstoffgas zuführt.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffgas-Druckeinstellungs-und-Zufuhr-Einheit eine elektronisch geregelte/gesteuerte Einspritzeinrichtung ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit ein Ventil der Einspritzeinrichtung offen hält.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Hochdruck-Brennstoffgaszufuhr-Regelungs-/Steuerungseinheit die Einspritzeinrichtung antreibt, während sie eine Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer der Einspritzeinrichtung konstant hält.
  9. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, welche einen Anodendurchgang, durch den Brennstoffgas an eine Anode zugeführt wird, und einen Kathodendurchgang, durch den Oxidationsmittelgas an eine Kathode zugeführt wird, aufweist; einen Brennstoffgas-Einlassdurchgang, durch welchen das Brennstoffgas in den Anodendurchgang eingespritzt wird; einen Brennstoffabgas-Auslassdurchgang, durch welchen Brennstoffabgas von dem Anodendurchgang abgeführt wird; eine Einspritzeinrichtung, welche über den Brennstoffgas-Einlassdurchgang hinweg angeordnet ist und an den Anodendurchgang das Brennstoffgas zuführt, dessen Druck eingestellt wird; und eine Regelungs-/Steuerungseinheit, welche eine Rückkopplungsregelung/-steuerung an der Einspritzeinrichtung ausführt, wobei die Regelungs-/Steuerungseinheit eine Kontinuierlicher-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit umfasst, welche die Einspritzeinrichtung während eines Starts der Brennstoffzelle derart antreibt, dass sich ein Ventil der Einspritzeinrichtung in einem konstanten Intervall periodisch öffnet, wobei eine Ventil-Offen-Dauer in einer Einspritzeinrichtungsantriebsdauer konstant gehalten wird und die Rückkopplungsregelung/-steuerung an der Einspritzeinrichtung unterbunden wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, ferner umfassend eine Stillstandszeit-Bestimmungseinheit, welche bestimmt, ob eine Stillstandszeit vor dem Start der Brennstoffzelle gleich oder länger als eine vorbestimmte Dauer ist oder nicht, wobei der Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebsabschnitt die Einspritzeinrichtung betreibt, während er die Ventil-Offen-Dauer pro Antriebsdauer konstant hält, wenn die Stillstandszeit-Bestimmungseinheit bestimmt, dass die Stillstandszeit gleich oder länger als die vorbestimmte Dauer ist.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit, welche eine kontinuierliche Zufuhrdauer für das Brennstoffgas berechnet, wenn die Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit die Einspritzeinrichtung antreibt, wobei die Kontinuierliche-Zufuhrdauer-Berechnungseinheit die kontinuierliche Zufuhrdauer verlängert, wenn sich die Stillstandszeit verlängert.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, ferner umfassend: eine Oxidationsmittelgas-Zufuhreinheit, welche das Oxidationsmittelgas an den Kathodendurchgang zuführt; eine Zwischen-Elektroden-Druckdifferenz-Detektionseinheit, welche eine Druckdifferenz zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle detektiert; und eine Start-Differentialdruck-Einstellungseinheit, welche einen Antrieb der Oxidationsmittelgas-Zufuhreinheit einstellt, damit die Druckdifferenz auf weniger als einen Schwellenwert absinkt, wenn die Druckdifferenz gleich oder größer als der Schwellenwert ist, während die Konstanter-Einspritzeinrichtungsbetrieb-Antriebseinheit die Einspritzeinrichtung während des Starts der Brennstoffzelle antreibt.
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