DE102014201558A1

DE102014201558A1 - Startverfahren eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102014201558A1
Application number: DE201410201558
Authority: DE
Inventors: Koichiro FURUSAWA; Kaoru Yamazaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-07-31
Also published as: US20140212780A1; JP2014146505A; US9716283B2; JP6112882B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) angegeben, enthaltend einen Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode (11A), einen Schwellenwertbestimmungsprozess zum Bestimmen, ob die vom Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess erfasste Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert (M2) ist oder nicht, sowie einen Startdrucksetzprozess zum Setzen eines Drucks des der Anode (11A) von einem Wasserstofftank (21) zugeführten Wasserstoffs, wenn von dem Wasserstofftank (21) der Anode (11A) Wasserstoff einem Zustand zugeführt wird, in dem ein Schaltschütz (39) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems.
Insbesondere wenn ein Brennstoffzellensystem gestartet wird, wird Brenngas einer Anode in einem Zustand (lastfreien Zustand) zugeführt, in dem mit der Brennstoffzelle keine elektrische Last verbunden ist, und wenn eine Substitution durch das Brenngas ausgeführt wird, wird der Druck des Brenngases gemäß einer Konzentration des Brenngases verringert, um die Substitution durch das Brenngas zu begünstigen (s. JP 2009-301771 A ).
Da jedoch in diesem herkömmlichen Brennstoffzellensystem der Druck des Brenngases abnimmt, nimmt die Zeitdauer zu, bevor die Substitution des Brenngases an der Einlassseite und Auslassseite der Anode abgeschlossen ist, und daher gibt es ein Problem, dass auch die Dauer des exzessiven Potentialanstiegs im lastfreien Zustand zunimmt. Entsprechend sollen einerseits die Begünstigung der Substitution durch das Brenngas und andererseits die Vermeidung einer Verschlechterung, die durch den exzessiven Potentialanstieg über die gesamte Anode verursacht wird, geeignet gesteuert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Startverfahren eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das in der Lage ist, eine Startzeit zu verkürzen, während eine Verschlechterung vermieden wird, die während des Startens der Brennstoffzelle auftritt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die folgenden Mittel zur Lösung der oben gestellten Aufgabe.

(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems angegeben, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch Brennstoff einer Anode und Oxidationsmittel einer Kathode Elektrizität erzeugt; eine Brenngaszuführeinheit, die ein den Brennstoff enthaltendes Brenngas der Anode zuführt; eine Oxidationsgaszuführeinheit, die ein das Oxidationsmittel enthaltendes Oxidationsgas der Kathode zuführt; Verbindungs- und Trenneinheit, die in der Lage ist, eine Verbindung und Trennung zwischen der Brennstoffzelle und einer elektrischen Last vollständig umzuschalten; und eine Steuereinheit, die die Brenngaszuführeinheit und die Oxidationsgaszuführeinheit steuert/regelt. Das Verfahren enthält: einen Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess zum Erfassen einer Konzentration des Wasserstoffs als der Brennstoff in der Anode; einen Schwellenwertbestimmungsprozess zum Bestimmen, ob die vom Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess erfasste Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich einem ersten Schwellenwert ist; und einen Startdrucksetzprozess zum Setzen eines Drucks des Wasserstoffs, der von der Brenngaszuführeinheit während der Startausführung der Brennstoffzelle zugeführt wird, um den Wasserstoff von der Brenngaszführeinheit der Anode zuzuführen, in einem Zustand, in dem die Verbindungs- und Trenneinheit ausgeschaltet ist, basierend auf einem Bestimmungsergebnis von dem Schwellenwertbestimmungsprozess. In dem Startdrucksetzprozess wird in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert ist, der Wasserstoffdruck auf weniger als oder gleich einem Druck des Wasserstoffs während der Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt, die nach Startabschluss der Brennstoffzelle ausgeführt wird, und wird in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration kleiner als der erste Schwellenwert ist, der Wasserstoffdruck höher gesetzt als der Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung.
(2) In dem Aspekt von (1) kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Brenngasabführweg enthalten, aus dem das von der Anode abgegebene Brenngas fließen kann, sowie ein Spülventil, das in der Lage ist, ein Brenngasabführweg zu öffnen und zu schließen. Das Verfahren kann ferner enthalten: einen Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess zur Bestimmung, ob der Druck des von der Brenngaszuführeinheit zugeführten Wasserstoffs während des Starts der Brennstoffzelle größer als oder gleich einem vorbestimmten Druck entsprechend der Wasserstoffkonzentration ist, die von dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess erfasst wird; und einen Spülventilöffnungs- und -schließprozess zum Schließen des Spülventils in einem Fall, wo in dem Vorbestimmter-Druckbestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck kleiner als der vorbestimmte Druck ist, und zum Öffnen des Spülventils in einem Fall, wo in dem Vorbestimmter-Druckbestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Druck des Wasserstoffs größer als oder gleich dem vorbestimmten Druck ist.
(3) In dem Aspekt von (2), kann in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt werden, ob die Wasserstoffkonzentration, die in dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess erfasst wird, größer als oder gleich einem zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der größer als der erste Schwellenwert ist, und kann in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem zweiten Schwellenwert ist, der Startdrucksetzprozess der Wasserstoffdruck gleich dem Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt werden. Das Verfahren kann ferner einen Spülventilöffnungs-Verhinderungsprozess zum Verhindern der Öffnung des Spülventils aufweisen, falls in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem zweiten Schwellenwert st.
(4) In dem Aspekt von einem von einem von (1) bis (3), kann das Brennstoffzellensystem ferner enthalten: einen Brenngaszuführweg, durch den das Brenngas zu der Anode fließen kann; einen Brenngasabführweg, durch den das von der Anode abgeführte Brenngas fließen kann; einen Brenngaszirkulationsweg, der den Brenngasabführweg und den Brenngaszuführweg verbindet und durch den das von der Anode abgegebene Brenngas zu dem Brenngaszuführweg fließen kann; und eine Wasserstoffpumpe, die den Wasserstoff durch den Brenngaszirkulationsweg umwälzt. Das Verfahren kann ferner einen Wasserstoffpumpenantriebsprozess zum Antrieb der Wasserstoffpumpe aufweisen, während der Start der Brennstoffzelle ausgeführt wird.
(5) In dem Aspekt von (4) kann in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration kleiner als der erste Schwellenwert ist, in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess die Drehzahl der Wasserstoffpumpe weiter erhöht werden im Vergleich zu einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert ist.
(6) In dem Aspekt von (4) oder (5) kann in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess die Wasserstoffpumpe angetrieben werden, bevor der Wasserstoff von der Brenngaszuführeinheit der Anode zugeführt wird.
(7) In dem Aspekt von einem von (4) bis (6) kann in dem Wasserstoffantriebsprozess eine Antriebszeit der Wasserstoffpumpe, einhergehend mit einer Zunahme der Abschaltzeit der Brennstoffzelle, mit zunehmendem Trend geändert werden.
(8) In dem Aspekt von (5) kann in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess die Drehzahl der Wasserstoffpumpe verringert werden, nachdem nach Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist.
(9) In dem Aspekt von einem von (1) bis (8) kann in dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess die Wasserstoffkonzentration unter Verwendung der Abschaltzeit der Brennstoffzelle und/oder eines Atmosphärendrucks der Anode für einen Abschaltterm der Brennstoffzelle und/oder eines Atmosphärendrucks der Kathode für den Abschaltterm der Brennstoffzelle geschätzt werden.

Gemäß dem Aspekt (1) wird in einem Fall, wo die Wasserstoffkonzentration größer oder gleich dem ersten Schwellenwert ist, angenommen, dass die Substitution mit Wasserstoff in einer kurzen Zeit über die gesamte Anode abgeschlossen ist. Dementsprechend wird der Druck des von der Brenngaszufuhreinheit zugeführten Wasserstoffs verringert, im Vergleich zur Ausführung der normalen Stromerzeugung, um die Substitution mit Wasserstoff zu begünstigen, und daher kann das Starten der Brennstoffzelle rasch ausgeführt werden.
Andererseits wird in einem Fall, wo die Wasserstoffkonzentration kleiner als der erste Schwellenwert ist, angenommen, dass die Substitution mit Wasserstoff über die gesamte Anode in kurzer Zeit nicht abgeschlossen ist, und eine Zeitdauer eines exzessiven Potentialanstiegs im lastfreien Zustand lang wird. Dementsprechend wird der Druck des von der Brenngaszufuhreinheit zugeführten Wasserstoffs erhöht, im Vergleich zur Ausführung der normalen Stromerzeugung, um eine Vermischung mit Wasserstoff an der Einlassseite und Auslassseite der Anode zu begünstigen. Im Ergebnis kann im lastfreien Zustand ein exzessiver Potentialanstieg unterdrückt werden, und daher kann eine Verschlechterung der Brennstoffzelle vermieden werden.
Gemäß dem Aspekt (2) wird das Spülventil geöffnet, und daher kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode begünstigt werden.
Gemäß dem Aspekt (3) wird das Öffnen des Spülventils verhindert, und somit lässt sich verhindern, dass die Konzentration des vom Brenngasabführweg abgegebenen Wasserstoffs zu stark wird.
Darüber hinaus wird der Wasserstoffdruck während des Startvorgangs der Brennstoffzelle gleich dem Wasserstoffdruck während Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt, und daher kann die Ausführung der normalen Stromerzeugung rasch eingeleitet werden, nachdem der Startvorgang der Brennstoffzelle abgeschlossen ist.
Gemäß dem Aspekt (4) wird die Wasserstoffpumpe in dem Brenngaszirkulationsweg angetrieben, und daher kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode begünstigt werden.
Gemäß dem Aspekt (5) wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe erhöht, und wird somit das Einmischen von Wasserstoff an der Einlassseite und Auslassseite der Anode begünstigt, und wird ein exzessiver Potentialanstieg im lastfreien Zustand rasch beseitigt. Im Ergebnis kann eine Verschlechterung der Brennstoffzelle vermieden werden.
Gemäß dem Aspekt (6) wird in einem Zirkulationssystem durch den Brenngaszirkulationsweg, den Brenngaszuführweg, die Anode, und den Brenngasabführweg, Wasserstoff von der Brenngaszuführeinheit zugeführt, nachdem ein Brenngasfluss durch Antrieb der Wasserstoffpumpe gebildet ist, und daher kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode begünstigt werden.
Gemäß dem Aspekt (7) kann die gewünschte Substitution mit Wasserstoff in der Anode unabhängig von der Abschaltzeit der Brennstoffzelle ausgeführt werden.
Gemäß dem Aspekt (8) wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe erhöht, um das Einmischen von Wasserstoff an der Einlassseite und Auslassseite der Anode zu begünstigen, und dann wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe verringert, wenn im Anodensystem rückgehaltenes Wasser abgeführt wird. Demgemäß werden die Abgabe des rückgehaltenen Wassers und das Nachfüllen des Wassers in einem Auffangtank begünstigt, und daher kann das Brennstoffzellensystem rasch gestartet werden. Darüber hinaus wird der Stromverbrauch verringert, und somit kann die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
Gemäß dem Aspekt (9) kann die Wasserstoffkonzentration genau erfasst werden, ohne einen Sensor vorzusehen, der die Wasserstoffkonzentration erfasst, und dergleichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm eines Betriebs des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführung der Erfindung, insbesondere eines Steuervorgangs (d. h. eines Verfahrens zum Starten des Brennstoffzellensystems) durch eine Steuervorrichtung während des Starts des Brennstoffzellensystems.
3 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Korrelation zwischen einer Wasserstoffkonzentration in einer Anode eines Brennstoffzellenstapels (Anoden-Wasserstoffkonzentration) und einer Abschaltzeit zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Startsignal des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführung der Erfindung empfangen wird.
4 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Korrelation zwischen einem Wasserstoffdruck (Anodendruck) in der Anode des Brennstoffzellenstapels und der Abschaltzeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Startsignal des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung empfangen wird.
5 ist ein Diagramm eines Beispiels von zeitlichen Veränderungen des Wasserstoffdrucks in der Anode des Brennstoffzellenstapels in den jeweiligen Zuständen 1, 2 und 3, geöffneten und geschlossenen Zuständen eines Spülventils, und der Drehzahl einer Wasserstoffpumpe während des Starts des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführung der Erfindung.
6 ist ein Diagramm eines Beispiels einer Korrelation zwischen jeweiligen vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3, und der Abschaltzeit während des Starts des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführung der Erfindung.
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführung der Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Zum Beispiel ist ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführung, als Stromversorgung, an einem Fahrzeug 1 angebracht, das einen Fahrantriebsmotor M und eine Leistungstreibereinheit PDU enthält, welche den Motor M ansteuert.
Darüber hinaus enthält das Fahrzeug 1 zum Beispiel einen Schalter 2 wie etwa einen Zündschalter, der ein Startsignal, das einen Start des Fahrzeugs 1 anweist, oder ein Stoppsignal, das einen Stopp des Fahrzeugs 1 anweist, in Antwort auf eine Betätigung durch einen Fahrer ausgibt.
Wie in 1 gezeigt, enthält das Brennstoffzellensystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 11 (Brennstoffzelle), einen Einlass 12, einen Luftkompressor 13 (Oxidationsgaszuführeinheit), einen Befeuchter 14, ein Einlassschließventil 15, ein Auslassschließventil 16, ein Drucksteuerventil 17, ein Bypassventil 18, eine Abgasrückführpumpe 19, ein Rückschlagventil 20, einen Wasserstofftank 21 (Brenngaszuführeinheit), ein Wasserstoffzuführventil 22 (Brenngaszuführeinheit), ein Absperrventil 23, einen Injektor 24, einen Ejektor 25, einen Bypassinjektor 26, einen Gasflüssigkeitsseparator 27, eine Wasserstoffpumpe 28, ein Rückschlagventil 29, ein Spülventil 30, ein Ablassventil 31, einen Verdünner 32, einen Luftströmungssensor 33, einen Temperatursensor 34, einen Drucksensor 35, einen Wasserstofftemperatursensor 36, einen Wasserstoffdrucksensor 37, einen Spannungssensor 38, ein Schaltschütz 39 (Verbindungs- und Trenneinheit), einen Spannungsregler (FCVCU) 40 sowie eine Steuervorrichtung 41 (Steuereinheit).
Der Brennstoffzellenstapel 11 enthält einen gestapelten Körper (nicht gezeigt), worin eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gestapelt sind, sowie ein Paar von Endplatten (nicht gezeigt), die den gestapelten Körper an beiden Seiten in Stapelrichtung zwischen sich aufnehmen.
Die Brennstoffzelle enthält eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sowie ein Paar von Separatoren, die die Membranelektrodenanordnungen an beiden Seiten in einer Verbindungsrichtung zwischen sich aufnehmen.
Die Membranelektrodenanordnung enthält eine Brennstoffelektrode (Anode) 11A, die einen Anodenkatalysator und eine Gasdiffusionsschicht enthält, und eine Sauerstoffelektrode (Kathode) 11B, die einen Kathodenkatalysator und eine Gasdiffusionsschicht enthält, sowie eine Festpolymerelektrolytmembran 11C, die von beiden Seiten in Dickenrichtung zwischen die Anode 11A und die Kathode 11B eingefügt ist und die aus einer Kationenaustauschermembran gebildet ist.
Ein Brenngas (Reaktionsgas), das Wasserstoff als Brennstoff enthält, wird von dem Wasserstofftank 21 der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt, und Luft, die ein Sauerstoff als Oxidationsmittel enthaltendes Oxidationsgas (Reaktionsgas) ist, wird von dem Luftkompressor 13 der Kathode 11B zugeführt.
Der der Anode 11A zugeführte Wasserstoff wird durch eine katalytische Reaktion an dem Anodenkatalysator ionisiert, und die Wasserstoffionen bewegen sich durch die geeignet befeuchtete Festpolymerelektrolytmembran 11C zu der Kathode 11B hin. Elektronen, die einhergehend mit der Bewegung der Wasserstoffionen erzeugt werden, können als Gleichstrom an eine externe Schaltung (Spannungsregler 40 und dergleichen) abgegeben werden.
Die Wasserstoffionen, die sich von der Anode 11A auf dem Kathodenkatalysator der Kathode 11B bewegt haben, reagieren mit dem der Kathode 11B zugeführten Sauerstoff und den Elektronen an dem Kathodenkatalysator unter Erzeugung von Wasser.
Darüber hinaus kann zum Beispiel eine Referenzelektrode (nicht gezeigt), wie eine dynamische Wasserstoffelektrode (DHE) mit der Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels (11) verbunden sein.
Die Referenzelektrode kann ein Potential (Anodenpotential) der Anode 11A in Bezug auf ein Referenzpotential messen, zum Beispiel durch Setzen des Wasserstoffs auf ein Referenzpotential (0 V), und kann ein Signal eines Messergebnisses an die Steuervorrichtung 41 ausgeben.
Zum Beispiel kann die Referenzelektrode an allen der Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen sein, oder kann nur an einer vorbestimmten Brennstoffzelle unter der Mehrzahl von Brennstoffzellen vorgesehen sein.
Der Luftkompressor 13 enthält einen Motor, wobei Luft von der Außenseite durch den Einlass 12 aufgenommen wird und durch die Antriebskraft des Motors komprimiert wird, wobei die komprimierte Luft einem Oxidationsgaszuführweg 51 abgegeben wird, der mit der Kathode 11B verbunden ist.
Der Befeuchter 14 enthält zum Beispiel eine wasserdurchlässige Membran, wie etwa Hohlfasermembran, und befeuchtet die Luft (das Kathodengas), die von dem Luftkompressor 13 zu dem Oxidationsgaszuführweg 51 abgegeben wird, unter Verwendung von Gas (Kathodenabgas) wie etwa Luft, die von einer Kathodenauslassöffnung 11b des Brennstoffzellenstapels 11 zu einem Oxidationsgasabführweg 52 abgeführt wird, als Befeuchtungsgas.
Insbesondere bringt der Befeuchter 14 die Luft, die von dem Luftkompressor 13 abgegeben wird, und ein angefeuchtetes Gas, das von der Kathodenauslassöffnung 11b des Brennstoffzellenstapels 11 abgeführt wird, durch die wasserdurchlässige Membran miteinander in Kontakt, um der Luft (Kathodengas) Feuchtigkeit, die durch Membranporen der wasserdurchlässigen Membran hindurchgewandert ist, in Feuchtigkeit (insbesondere Wasserdampf), die in dem abgeführten Gas enthalten ist, hinzuzufügen.
Das Einlassschließventil 15 ist am Oxidationsgaszuführweg 51 vorgesehen, der den Luftkompressor 13 und eine Kathodenzuführöffnung 11a verbindet, um die Luft der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 zuzuführen. Das Einlassschließventil 15 kann den Oxidationsgaszuführweg 51 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 öffnen und schließen und kann die Kathode 11B abdichten.
Das Auslassschließventil 16 ist an dem Oxidationsgasabführweg 52 vorgesehen, der die Kathodenauslassöffnung 11b, welche das von der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 abgegebene Gas (Kathodenabgas), wie etwa Luft, abführen kann, und den Verdünner 32 verbindet. Das Auslassschließventil 16 kann den Oxidationsgasabführweg 52 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 öffnen und schließen und kann die Kathode 11B abdichten.
Das Drucksteuerventil 17 ist zwischen dem Befeuchter 14 und dem Verdünner 32 in dem Oxidationsgasabführweg 52 vorgesehen und steuert den Druck des Kathodenabgases, das durch den Oxidationsgasabführweg 52 fließt, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41.
Das Bypassventil 18 ist an einem Bypassweg 53 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen dem Luftkompressor 13 und dem Befeuchter 14 in dem Oxidationsgasweg 51 und zwischen dem Drucksteuerventil 17 und dem Verdünner 32 in dem Oxidationsgasabführweg 52 herstellt.
Das Bypassventil 18 kann die vom Luftkompressor 13 zugeführte Luft dem Verdünner 32 durch den Bypassweg 53 zuführen, der von dem Oxidationsgaszuführweg 51 abzweigt und die Kathode 11B umgeht, und kann den Bypassweg 53 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 öffnen und schließen.
Die Abgasrückführpumpe 19 ist an einem Abgasrückführweg 54 vorgesehen, der eine Verbindung zwischen dem Einlassschließventil 15 und der Kathodenzuführöffnung 11a in dem Oxidationsgaszuführweg 51 sowie zwischen der Kathodenauslassöffnung 11b und dem Auslassschließventil 16 in dem Oxidationsgasabführweg 52 herstellt.
Die Abgasrückführpumpe 19 erlaubt, dass zumindest ein Teil des Kathodenabgases, das durch die Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 hindurchtritt und von der Kathodenauslassöffnung 11b zu dem Oxidationsgasabführweg 52 abgeführt wird, durch den Abgasrückführweg 54 fließt. Drüber hinaus wird das Kathodenabgas, das durch den Abgasrückführweg 54 geflossen ist, mit Luft (Kathodengas) vermischt, das von dem Einlassschließventil 15 durch den Oxidationsgaszuführweg 51 zu der Kathodenzuführöffnung 1a fließt, und wird der Kathode 11B wieder zugeführt.
Das Rückschlagventil 20 ist an dem Kathodenrückführweg 54 vorgesehen, wobei eine Richtung, die von dem Oxidationsgasabführweg 52 zu dem Oxidationsgaszuführweg 51 weist, als vorwärtige Richtung gesetzt ist.
Der Wasserstofftank 21 speichert komprimierten Wasserstoff und kann den Wasserstoff abgeben.
Das Wasserstoffzuführventil 22 ist an einem Brenngaszuführweg 54 vorgesehen, der den Wassertofftank 21 und die Anodenzuführöffnung 11c verbindet, welche den Wasserstoff der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zuführen kann.
Das Wasserstoffzuführventil 22 führt vom Wasserstofftank 21 dem Brenngaszuführweg 55 Wasserstoff zu, dessen Druck der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41, einem Signaldruck vom Druck der vom Luftkompressor 13 abgegebenen Luft, oder dergleichen entspricht.
Das Absperrventil 23 ist zwischen dem Wasserstoffzuführventil 22 und der Anodenzuführöffnung 11c in dem Brenngaszuführweg 57 vorgesehen und kann den Brenngaszuführweg 55 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 absperren.
Der Injektor 24 ist zwischen dem Absperrventil 23 und der Anodenzuführöffnung 11c in dem Brenngaszuführweg 55 vorgesehen und führt, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41, den Wasserstoff mit einem Solldruck der Anodenzuführöffnung 11c in einem vorbestimmten Zyklus intermittierend zu. Dementsprechend wird der Zwischenelektrodendifferenzdruck zwischen der Kathode 11B und der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 auf einem vorbestimmten Druck gehalten.
Der Sektor 15 ist zwischen dem Injektor 24 und der Anodenzuführöffnung 11c in dem Brenngaszuführweg 55 vorgesehen.
Der Ejektor 25 erlaubt, dass zumindest ein Teil des nichtreagierten Wasserstoff enthaltenden Abgases (Anodenabgases), das durch die Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 hindurchtritt und von der Anodenauslassöffnung 11d dem Brenngasabführweg 56 zugeführt wird, durch einen Brenngaszirkulationsweg 57 fließt, der den Brenngasabführweg 56 und den Brenngaszuführweg 55 verbindet. Darüber hinaus wird das Anodenabgas, das durch den Brenngaszirkulationsweg 57 geflossen ist, mit dem Wasserstoff vermischt, das von dem Injektor 24 durch den Brenngaszuführweg 55 zu der Anodenzuführöffnung 11c fließt, und wird der Anode 11A wieder zugeführt.
Der Bypassinjektor 26 ist an einem Bypassweg 58 vorgesehen, der den Injektor 24 und den Ejektor 25 zwischen dem Absperrventil 23 und der Anodenzuführöffnung 11c in den Brenngaszuführweg 55 umgeht, und ist mit dem Brenngaszuführweg 55 verbunden.
Der Bypassinjektor 26 führt, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41, den Wasserstoff mit einem Solldruck der Anodenzuführöffnung 11c zu, um den Injektor 24 zu unterstützen.
Der Gasflüssigkeitsseparator 27 ist zwischen der Anodenauslassöffnung 11d und dem Brenngaszirkulationsweg 57 in dem Brenngasabführweg 56 vorgesehen.
Der Gasflüssigkeitsseparator 27 trennt Feuchtigkeit ab, die im Anodenabgas enthalten ist, das durch die Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 fließt und von der Anodenauslassöffnung 11d abgegeben wird. Darüber hinaus wird das Anodenabgas, nach der Abtrennung, von einer Gasabführöffnung (nicht gezeigt) abgegeben, die mit dem Brenngasabführweg 56 verbunden ist, und wird nach Abtrennung der Feuchtigkeit von einer Feuchtigkeitsabführöffnung (nicht gezeigt) abgegeben, die mit dem Feuchtigkeitsabführweg 59 verbunden ist.
Die Wasserstoffpumpe 28 ist an dem Brenngaszirkulationsweg 57 vorgesehen, der in einer Position zwischen dem Gasflüssigkeitsseparator 27 und dem Spülventil 30 in dem Brenngasabführweg 56 und einer Stromeinführöffnung (nicht gezeigt) des Ejektors 25 angeschlossen ist.
Die Wasserstoffpumpe 28 erlaubt, dass zumindest ein Teil des Anodenabgases, das durch die Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 fließt und von der Anodenauslassöffnung 11d zu dem Brenngasabführweg 56 abgegeben wird, zu dem Brenngaszirkulationsweg 57 fließt. Darüber hinaus wird das Anodenabgas, das durch den Brenngaszirkulationsweg 57 fließt, mit Wasserstoff vermischt, der von dem Injektor 24 durch den Brenngaszuführweg 55 zu der Anodenzuführöffnung 11c fließt, und wird der Anode 11A wieder zugeführt.
Das Rückschlagventil 29 ist in dem Brenngaszirkulationsweg 57 vorgesehen, wobei eine Richtung, die von dem Brenngasabführweg 56 zu dem Brenngaszuführweg 55 weist, als vorwärtige Richtung gesetzt ist.
Das Spülventil 30 ist zwischen einer Gasabführöffnung des Gasflüssigkeitsseparators 27 und dem Verdünner 32 in dem Brenngasabführweg 56 vorgesehen. Das Spülventil 30 kann den Brenngasabführweg 56 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 51 öffnen und schließen, und ist in der Lage, das Anodenabgas, das von der Gasauslassöffnung des Gasflüssigkeitsseparators 27 abgegeben wird, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 dem Verdünner 32 zuzuführen.
Das Ablassventil 31 ist zwischen einer Feuchtigkeitsauslassöffnung des Gasflüssigkeitsseparators 27 und dem Verdünner 32 in einem Feuchtigkeitsabführweg 59 vorgesehen. Das Ablassventil 31 kann den Feuchtigkeitsabführweg 59 gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 öffnen und schließen und ist in der Lage, Feuchtigkeit, die von der Feuchtigkeitsauslassöffnung des Gasflüssigkeitsseparators 27 abgegeben wird, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 dem Verdünner zuzuführen.
Der Verdünner 32 ist mit dem Oxidationsgasabführweg 52, dem Brenngasabführweg 56 und dem Feuchtigkeitsabführweg 59 verbunden.
Der Verdünner 32 verdünnt die Wasserstoffkonzentration des von dem Spülventil 30 zugeführten Anodenabgases mit vom Bypassventil 18 zugeführter Luft oder mit vom Drucksteuerventil 27 zugeführtem Kathodenabgas. Darüber hinaus führt der Verdünner 32 das Gas, worin die Wasserstoffkonzentration nach Verdünnung weniger als oder gleich einer vorbestimmten Konzentration reduziert worden ist, zur Außenseite ab (zum Beispiel die Luft und dergleichen).
Der Luftströmungssensor 33 ist an einer stromabwärtigen Seite des Einlasses 12 vorgesehen, erfasst eine Strömungsrate Ga der Luft, die von der Außenseite durch den Einlass 12 aufgenommen wird, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, welche die Erfassungsergebnisse angeben.
Der Temperatursensor 34 erfasst eine Temperatur Ta der Luft, die der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, welche die Erfassungsergebnisse angeben.
Der Drucksensor 35 erfasst einen Druck Pa der Luft, die der Kathode 11B des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, die die Erfassungsergebnisse angeben.
Der Wasserstofftemperatursensor 36 erfasst eine Temperatur Th des Brenngases, das der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, welche die Erfassungsergebnisse angeben.
Der Wasserstoffdrucksensor 37 erfasst einen Druck Ph des Brenngases, das der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, welche die Erfassungsergebnisse angeben.
Der Spannungssensor 38 erfasst eine Spannung (d. h. eine Gesamtspannung, welche die Summe der Spannungen einer Mehrzahl von Brennstoffzellen ist) VFC zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 11, und gibt an die Steuervorrichtung 41 Signale aus, die die Erfassungsergebnisse angeben.
Das Schaltschütz 39 ist mit der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 11 verbunden und schaltet Verbindung und Trennung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 11 und einer elektrischen Last (zum Beispiel einer Leistungstreibereinheit PDU und dergleichen) gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41.
Spannungsregler (FCVCU) 40 ist zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 11, mit dem dazwischen eingeordneten Schaltschütz 39, und einer elektrischen Last angeordnet und reguliert eine Spannung und einen Strom, die von dem Brennstoffzellenstapel 11 ausgegeben werden, gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41.
Die Steuervorrichtung 41 steuert/regelt den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 basierend auf den vom Schalter 2 ausgegebenen Signalen und den von den jeweiligen Sensoren 33 bis 38 ausgegebenen Sensoren und zeigt die Erfassungsergebnisse an.
Zum Beispiel kann, zusätzlich zu einer elektrischen Vorrichtung wie etwa dem elektrischen Fahrantriebsmotor M und einer elektrischen Speichervorrichtung (nicht gezeigt), die an dem Fahrzeug 1 angebracht sind, das Brennstoffzellensystem 10 eine elektrische Last enthalten (zum Beispiel einen Entladungswiderstand, eine elektronische Last und dergleichen), die mit dem Brennstoffzellenstapel 11 umschaltbar verbindbar und trennbar ist, und worin ein Laststrom gemäß der Steuerung durch die Steuervorrichtung 41 geändert werden kann. In diesem Fall ist die Steuervorrichtung 41 in der Lage, die Entladung zu der elektrischen Last als Entladung während der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 zu steuern/zu regeln.
Das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführung hat die oben beschriebene Konfiguration. Nachfolgend wird ein Steuerbetrieb durch die Steuervorrichtung 41 während des Starts des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben (d. h. ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 10).
Zuerst wird im in 2 gezeigten Schritt S01 bestimmt, ob ein Startsignal (IG-ON) empfangen wird, das den Start des Brennstoffzellensystems 10 durch Eingabe eines Fahrers und dergleichen in Bezug auf den Schalter 2 anweist.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S01 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S02 weiter.
Dann wird in Schritt S02, als Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess, eine Abschaltzeit (Abschaltzeit) TMSOAK des Brennstoffzellenstapels 11 vor Empfang des Startsignals erfasst.
Dann wird in Schritt S03 als Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess ein Atmosphärendruck der Anode 11A (Anodendruck Ph) und ein Atmosphärendruck der Kathode 11B (Kathodendruck Pa) während eines Abschaltterms des Brennstoffzellenstapels 11 basierend auf Signalen erfasst, die von dem Drucksensor 35 und dem Wasserstoffdrucksensor 37 ausgegeben werden.
Darüber hinaus wird die Wasserstoffkonzentration (Anoden-Wasserstoffkonzentration) in der Anode 11A des Brennstoffzellenstapels 11 zu einem Zeitpunkt, zu dem das Startsignal des Brennstoffzellensystems empfangen wird, auf einen Wert entsprechend der Abschaltzeit TMSOAK und/oder dem Anodendruck Ph und/oder dem Kathodendruck Pa gesetzt.
Wenn, wie zum Beispiel in 3 gezeigt, die Abschaltzeit TMSOAK länger wird, verändert sich die Anoden-Wasserstoffkonzentration mit abnehmendem Trend. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK kleiner als oder gleich einer vorbestimmten ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 ist, ist die Anoden-Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellenwert M1. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich einer vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, die länger als die vorbestimmte erste Abschaltzeit #TMSOAK1 ist, ist die Anoden-Wasserstoffkonzentration kleiner als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert M2, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert M1 ist.
Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich der vorbestimmten ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 und kleiner als oder gleich der vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, ist die Anoden-Wasserstoffkonzentration kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert M1 und ist größer als oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert M2.
Wenn darüber hinaus, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, die Abschaltzeit TMSOAK länger wird, verändert sich der Anodendruck Ph mit abnehmendem Trend. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK kleiner als gleich der vorbestimmte ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 ist, ist der Anodendruck Ph größer als oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellenwert Ph1.
Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich der vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, die länger ist als die vorbestimmte erste Abschaltzeit #TMSOAK1, ist der Anodendruck Ph kleiner als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Ph2, der kleiner als der vorbestimmte erste Schwellenwert Ph1 ist. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich der vorbestimmten ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 ist und kleiner als oder gleich der vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, ist der Anodendruck Ph kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert Ph1 und größer als oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Ph2.
Darüber hinaus ändert sich, wie im Falle des Anodendrucks Ph, wenn die Abschaltzeit TMSOAK länger wird, der Kathodendruck Pa mit abnehmendem Trend. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK kleiner als oder gleich der vorbestimmten ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 ist, ist der Kathodendruck Pa größer als oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellenwert Pa1. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich der vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, die länger ist als die vorbestimmte erste Abschaltzeit #TMSOAK1, ist der Kathodendruck Pa kleiner als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Ph2, der kleiner ist als der vorbestimmte erste Schwellenwert Ph1. Wenn die Abschaltzeit TMSOAK größer als oder gleich der vorbestimmten ersten Abschaltzeit #TMSOAK1 ist und kleiner als oder gleich der vorbestimmten zweiten Abschaltzeit #TMSOAK2 ist, ist der Kathodendruck Pa kleiner als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert Pa1 und ist größer als oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert Pa2.
Darüber hinaus ist der vorbestimmte erste Schwellenwert M1 in Bezug auf die Anoden-Wasserstoffkonzentration zum Beispiel eine solche Wasserstoffkonzentration, die in der Lage ist, die normale Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 nur dadurch geeignet auszuführen, dass der Wasserstoffdruck der Anode 11A um einen vorbestimmten Druck erhöht wird, durch Antrieb der Wasserstoffpumpe 28, ohne die Atmosphäre der Anode 11A mit dem vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff substituieren zu müssen. Darüber hinaus ist zum Beispiel die normale Stromerzeugung eine Stromerzeugung, worin der Stromerzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 11 Priorität hat.
Darüber hinaus ist der vorbestimmte zweite Schwellenwert M2 in Bezug auf die Anoden-Wasserstoffkonzentration zum Beispiel eine solche Wasserstoffkonzentration, mit der die Atmosphäre der Anode 11A klassifiziert wird in einen Zustand, worin die Substitution mit vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff Priorität hat, und einen Zustand, worin das Unterdrücken eines Hochpotentialzustands im Kathodenpotential Priorität hat. Zum Beispiel tritt der Hochpotentialzustand des Kathodenpotentials auf, weil der Substitutionsgrad mit Wasserstoff seitens der Anodenauslassöffnung 11d niedriger als jener seitens der Anodenzuführöffnung 11c ist.
Zum Beispiel wird in dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess die Anoden-Wasserstoffkonzentration gemäß der Abschaltzeit TMSOAK, und/oder dem Anodendruck Ph und/oder dem Kathodendruck Pa basierend auf Daten etwa einem vorbestimmten Kennfeld, das in den 3 und 4 gezeigt und vorab gesetzt ist, geschätzt.
Dann wird in Schritt S04, als Schwellenwertbestimmungsprozess, bestimmt, ob die Anoden-Wasserstoffkonzentration größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert M1 ist oder nicht.
Insbesondere wird bestimmt, ob die Abschaltzeit TMSOAK kleiner als die vorbestimmte erste Abschaltzeit #TMSOAK1 ist oder nicht, ob der Anodendruck Ph größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert Ph1 ist oder nicht, oder ob der Kathodendruck Pa größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert Ph1 ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „JA” ist, wird dies als „Zustand 1” bestimmt, und es geht zu Schritt S06 weiter, der später beschrieben wird.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, geht es zu Schritt S05 weiter.
Dann wird in Schritt S05, als Schwellenwertbestimmungsprozess, bestimmt, ob die Anoden-Wasserstoffkonzentration größer als der vorbestimmte erste Schwellenwert M2 ist oder nicht.
Insbesondere wird bestimmt, ob die Abschaltzeit TMSOAK kleiner als die vorbestimmte zweite Abschaltzeit #TMSOAK2 ist oder nicht, ob der Anodendruck Ph größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert Ph2 ist oder nicht, oder ob der Kathodendruck Pa größer als der vorbestimmte zweite Schwellenwert Ph2 ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „JA” ist, wird dies als „Zustand 2” bestimmt, und es geht zu Schritt S12 weiter, der später beschrieben wird.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird dies als „Zustand 3” bestimmt, und es geht zu Schritt s17 weiter, der später beschrieben wird.
Darüber hinaus wird in Schritt S06, vor der Zufuhr des Wasserstoffs vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11a, ein Wasserstoffpumpenantriebsprozess zum Antrieb der Wasserstoffpumpe 28 ausgeführt. In dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess wird ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess, zum Beispiel eine zweite vorbestimmte Drehzahl #H2PMP2, die kleiner als eine erste vorbestimmte Drehzahl #H2PMP1 ist, auf einen Befehlswert H2PMP gesetzt, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 anzeigt.
Darüber hinaus wird in Schritt S07 bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeit T1 (notwendige Zeit, damit die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP erreicht: Antriebszeit) abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S07 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S08 weiter. Dementsprechend erreicht, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, in einer Dauer einer Antriebszeit T1 nach der Zeit t1, bei der das Startsignal (IG-ON) empfangen wird, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP (= zweite Drehzahl #H2PMP2).
Darüber hinaus wird in Schritt S08, als Startdrucksetzprozess ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess auf einen Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt, der einen Wasserstoffdruck der Anode 11A während der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A in einem Zustand anzeigt, in dem das Schaltschütz 39 ausgeschaltet ist. Dann wird die Wasserstoffzufuhr von dem Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet. In dem Startdrucksetzprozess wird zum Beispiel ein vorbestimmter Druck #PH2FCCHKN, wie etwa ein Wasserstoffdruck während Ausführung der normalen Stromerzeugung, die nach Abschluss des Starts des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt wird, auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt.
Darüber hinaus wird in Schritt S09 ein Spülventilöffnungsverhinderungsprozess, Ausführung von OCV Spülung, verhindert. Die OCV Spülung ist ein Betrieb der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zum Verdünner 32 durch die Anode 11A in einem lastfreien Zustand (d. h. in einem Nichtstromerzeugungszustand), worin der Brennstoffzellenstapel 11 von der elektrischen Last getrennt ist, und in einem geöffneten Ventilzustand des Spülventils 30 und des Absperrventils 23.
Zum Beispiel wird, wie in 5 gezeigt, nach einer Zeit t2, zu der die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet wird, der Wasserstoffdruck der Anode 11A von einem vorbestimmten Anfangswert Ph0 zu dem Druckbefehlswert PH2FCCHK (= vorbestimmter Druck #PH2FCCHKN) erhöht. Darüber hinaus wird das Spülventil 30 im geschlossenen Ventilzustand gehalten.
Darüber hinaus wird die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 zu einer vorbestimmten Zeit t4 eingeleitet (zum Beispiel einem Zeitpunkt, zu dem die Spannung des Brennstoffzellenstapels 11 eine vorbestimmte Spannung erreicht, die die Einleitung der Stromerzeugung zulässt), nachdem der Wasserstoffdruck der Anode 11A den Druckbefehlswert PH2FCCHK (= vorbestimmter Druck #PH2FCCHKN) erreicht hat.
Darüber hinaus wird in Schritt S10 bestimmt, ob ein nach dem Einleiten der Zufuhr des Wasserstoffs von dem Wassertofftank 21 zur Anode 11A eine vorbestimmte Zeit (T2 + T3) abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S10 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S11 weiter.
Darüber hinaus ist die vorbestimmte Zeit T2 eine Antriebszeitdauer der Wasserstoffpumpe 28, die erforderlich ist, um die Atmosphäre der Anode 11A durch den vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff um einen vorbestimmten Grad zu substituieren. Die vorbestimmte Zeit T3 ist eine Antriebszeitdauer der Wasserstoffpumpe 28, die erforderlich ist, um das im Anodensystem 11A zurückerhaltene Wasser durch den vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff um einen vorbestimmten Grad abzuführen. Die vorbestimmte Zeit T3 in „Zustand 1” und „Zustand 2” kann kürzer gesetzt werden als die vorbestimmte Zeit T3 von „Zustand 3”, das später beschrieben wird, oder kann auch auf Null gesetzt werden.
Darüber hinaus wird in Schritt S11 der Befehlswert H2PMP, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 angibt, auf Null gesetzt, wobei das Starten des Brennstoffzellensystems 10 abgeschlossen wird und es zu einem Ende weitergeht. Dementsprechend nimmt zum Beispiel, wie in 5 gezeigt, nach einer Zeit T6, zu der der Befehlswert H2PMP auf Null gesetzt ist, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 zu Null hin ab.
Darüber hinaus wird in Schritt S12, vor der Wasserstoffzufuhr im Wasserstofftank 21 zur Anode 11A, ein Wasserstoffpumpenantriebsprozess zum Antrieb der Wasserstoffpumpe 28 ausgeführt. In dem Wasserstoffantriebsprozess wird ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis dem Schwellenwertbestimmungsprozess, zum Beispiel die zweite vorbestimmte Drehzahl #H2PMP2, die kleiner als die erste vorbestimmte Drehzahl #H2PMP1 ist, auf den Befehlswert H2PMP gesetzt, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 angibt.
Darüber hinaus wird in Schritt S13 bestimmt, ob eine vorbestimmte Zeit T1 (eine erforderliche Zeit, damit die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP erreicht: Antriebszeit) abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S13 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S14 weiter. Dementsprechend erreicht, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, in einer Dauer der Antriebszeit T1 nach einer Zeit t1, zu der das Startsignal (IG-ON) empfangen wird, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP (= die zweite Drehzahl #H2PMP2).
Darüber hinaus wird in Schritt S14 als Startdrucksetzprozess, ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis im Schwellenwertbestimmungsprozess auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt, der den Wasserstoffdruck der Anode 11A während der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstoffdruck 21 zur Anode 11A in einem Zustand angibt, in dem das Schaltschütz 39 ausgeschaltet ist. Dann wird die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet. In dem Startdrucksetzprozess wird zum Beispiel auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK ein niedrigseitiger vorbestimmter Druck #PH2FCCHKL gesetzt, der kleiner ist als der vorbestimmte Druck #PH2FCCHKN, wie etwa der Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung, die nach dem Startabschluss des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt wird. Die normale Stromerzeugung ist zum Beispiel eine Stromerzeugung, worin die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenstapels 11 Priorität hat.
Darüber hinaus werden in Schritt S15 ein Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess und ein Spülventilöffnungsprozess ausgeführt. In dem Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess wird bestimmt, ob der Wasserstoffdruck der Anode 11A einen Wert größer als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert #P2 erreicht oder nicht, der dem Bestimmungsergebnis des Vorbestimmter-Schwellenwert-Bestimmungsprozesses entspricht. Falls in dem Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck der Anode 11A den Wert größer als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert #P2 erreicht, der dem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess entspricht, wird die OCV-Spülung in dem Spülventilöffnungsprozess ausgeführt. Falls andererseits in dem Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck der Anode 11A kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert #P2 ist, wird das Spülventil 30 im geschlossenen Ventilzustand gehalten.
Dementsprechend wird, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, nach der Zeit t2, zu der die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet wird, der Wasserstoffdruck der Anode 11A vom vorbestimmten Anfangswert Ph0 zum Druckbefehlswert PH2FCCHK (= niederseitiger vorbestimmter Druck #PH2FCCHKL) erhöht. Darüber hinaus wird zur Zeit t3, zu der der Wasserstoffdruck der Anode 11A den vorbestimmten Schwellenwert #P2 erreicht, das Spülventil 30 vom geschlossenen Ventilzustand zum offenen Ventilzustand umgeschaltet.
Darüber hinaus wird in Schritt S16, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, zu der vorbestimmten Zeit t4, nachdem der Wasserstoffdruck der Anode 11A den Druckbefehlswert PH2FCCHK (= niederseitiger vorbestimmter Druck #PH2FCCHKL) erreicht hat, der vorbestimmte Druck #PH2FCCHKN auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt. Darüber hinaus wird das Spülventil vom offenen Ventilzustand zum geschlossenen Ventilzustand umgeschaltet und wird die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 eingeleitet.
Die vorbestimmte Zeit t4 ist zum Beispiel ein Zeitpunkt, zu dem eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 11 eine vorbestimmte Spannung erreicht, die die Einleitung der Stromerzeugung zulässt, ein Zeitpunkt, zu dem eine Wasserstoffmenge (Spülmenge), die vom Spülventil 30 an den Verdünner 32 abgeführt wird, eine vorbestimmte Menge erreicht, und dergleichen. Ob die Wasserstoffzufuhrmenge (Spülmenge) die vorbestimmte Menge erreicht oder nicht, kann basierend auf einem Differenzdruck zwischen dem Atmosphärendruck außerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 und dem Druck der Anode 11A, der Größe des Spülventils 30 und dergleichen bestimmt werden, oder kann demgemäß bestimmt werden, ob eine Ausführungszeitdauer der OCV-Spülung eine vorbestimmte Zeit erreicht oder nicht. Nach der Ausführung von Schritt S16 geht es zum oben beschriebenen Schritt S10 weiter.
In Schritt S17 wird, vor der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A, der Wasserstoffpumpenantriebsprozess zum Antrieb der Wasserstoffpumpe 28 ausgeführt. Im Wasserstoffpumpenantriebsprozess wird ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess, zum Beispiel die erste vorbestimmte Drehzahl #H2PMP1, die größer als die zweite vorbestimmte Drehzahl #H2PMP2 ist, auf den Befehlswert H2PMP gesetzt, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 angibt.
Darüber hinaus wird in. Schritt S18 bestimmt, ob die vorbestimmte Zeit T1 (die erforderliche Zeit, damit die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP erreicht: Antriebszeit) abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S18 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S19 weiter. Dementsprechend erreicht, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 den Befehlswert H2PMP (= die erste Drehzahl #H2PMP1) in der Antriebszeitdauer T1 nach der Zeit t1, zu der das Startsignal (IG-ON) empfangen wird.
Darüber hinaus wird in Schritt S19, als der Startdrucksetzprozess, ein Wert entsprechend einem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt, der den Wasserstoffdruck der Anode 11A während der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A angibt, in einem Zustand, in dem das Schaltschütz 39 abgeschaltet ist. Dann wird die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet. In dem Startdrucksetzprozess wird zum Beispiel auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK der hochseitige vorbestimmte Druck #PH2FCCHKH gesetzt, der größer ist als der vorbestimmte Druck #PH2FCCHKN, wie etwa der Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung, die nach dem Startabschluss des Brennstoffzellensystems 10 ausgeführt wird. Die normale Stromerzeugung ist zum Beispiel eine Stromerzeugung, in der die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenstapels 11 Priorität hat.
In Schritt S20 werden der Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess und der Spülventilöffnungsprozess ausgeführt. Im Vorbestimmter-Druckbestimmungsprozess wird bestimmt, ob der Wasserstoffdruck der Anode 11A einen Wert größer als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert #P3 erreicht oder nicht, der dem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess entspricht. Falls in dem Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck der Anode 11A einen Wert größer als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert #P3 erreicht, der dem Bestimmungsergebnis in dem Schwellenwertbestimmungsprozess entspricht, wird die OCV-Spülung in dem Spülventilöffnungsprozess ausgeführt. Falls andererseits in dem Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck in der Anode 11A kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert #P2 ist, wird das Spülventil 30 im geschlossenen Ventilzustand gehalten.
Dementsprechend nimmt, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, nach der Zeit t2, zu der die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet wird, der Wasserstoffdruck der Anode 11A vom vorbestimmten Anfangswert Ph0 zum Druckbefehlswert PH2FCCHK (= hochseitiger vorbestimmter Druck #PH2FCCHKH) zu. Darüber hinaus wird zur Zeit t3, zu der der Wasserstoffdruck der Anode 11A den vorbestimmten Schwellenwert #P3 erreicht, das Spülventil 30 vom geschlossenen Ventilzustand zum offenen Ventilzustand umgeschaltet.
Darüber hinaus wird in Schritt S21, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, zur vorbestimmten Zeit t4, nachdem der Wasserstoffdruck der Anode 11A den Druckbefehlswert PH2FCCHK erreicht hat (= hochseitiger vorbestimmter Druck #PH2FCCHKH), der vorbestimmte Druck #PH2FCCHKN auf den Druckbefehlswert PH2FCCHK gesetzt. Darüber hinaus wird das Spülventil 30 vom offenen Ventilzustand zum geschlossenen Ventilzustand umgeschaltet, und wird die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11 eingeleitet.
Die vorbestimmte Zeit t4 ist zum Beispiel ein Zeitpunkt, zu dem eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 11 eine vorbestimmte Spannung erreicht, die die Einleitung der Stromerzeugung gestattet, ein Zeitpunkt, zu dem eine Wasserstoffmenge (Spülmenge), die von dem Spülventil 30 an den Verdünner 32 abgeführt wird, eine vorbestimmte Menge erreicht, und dergleichen. Ob die Wasserstoffmenge (Spülmenge) die vorbestimmte Menge erreicht oder nicht, kann basierend auf einem Differenzdruck zwischen dem Atmosphärendruck außerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 und dem Druck der Anode 11A, der Größe des Spülventils 30 und dergleichen bestimmt werden, oder kann demgemäß bestimmt werden, ob die Ausführungszeitdauer der OCV-Spülung eine vorbestimmte Zeit erreicht oder nicht.
Darüber hinaus wird in Schritt S22 bestimmt, ob die vorbestimmte Zeit T2, nachdem die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet worden ist, abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess von Schritt S22 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S23 weiter.
Die vorbestimmte Zeit T2 ist eine Antriebszeitdauer der Wasserstoffpumpe 28, die erforderlich ist, um die Atmosphäre der Anode 11A mit dem vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff auf einen vorbestimmten Grad zu substituieren.
Darüber hinaus wird in Schritt S23 die zweite vorbestimmte Drehzahl #H2PMP2, die kleiner als die erste vorbestimmte Drehzahl #H2PMP1 ist, auf den Befehlswert H2PMP gesetzt, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 angibt.
Dementsprechend nimmt, wie zum Beispiel in 5 gezeigt, nachdem eine Zeit t5 nach Ablauf der vorbestimmten Zeit T2 nach der Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet worden ist, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 von der ersten vorbestimmten Drehzahl #H2PMP1 zur zweiten vorbestimmten Drehzahl #H2PMP2 ab.
Darüber hinaus wird in Schritt S24 bestimmt, ob die vorbestimmte Zeit T3, nachdem die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet worden ist, abgelaufen ist oder nicht.
Falls das Bestimmungsergebnis „NEIN” ist, wird der Bestimmungsprozess in Schritt S24 wiederholt ausgeführt.
Falls andererseits das Bestimmungsergebnis „JA” ist, geht es zu Schritt S25 weiter.
Darüber hinaus ist die vorbestimmte Zeit T3 eine Antriebszeitdauer der Wasserstoffpumpe 28, die zum Abführen des zurückgehaltenen Wassers der Anode 11A durch den vom Wasserstofftank 21 zugeführten Wasserstoff auf einen vorbestimmten Grad erforderlich ist. Die vorbestimmte Zeit T3 in „Zustand 3” ist länger gesetzt als die vorbestimmte Zeit T3 in „Zustand 1” und „Zustand 2”.
Darüber hinaus wird in Schritt S25 der Befehlswert H2PMP, der die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 angibt, auf Null gesetzt, wird der Start des Brennstoffzellensystems 10 abgeschlossen, und geht zum Ende weiter. Dementsprechend wird wie zum Beispiel in 5 gezeigt, nach der Zeit t6, zu der der Befehlswert H2PMP auf Null gesetzt wird, die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 auf Null verringert.
Darüber hinaus kann in jedem „Zustand 1”, „Zustand 2” und „Zustand 3” zum Beispiel jede der vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3 einen Wert einnehmen, der der Abschaltzeit TMSOAK entspricht, wie in 6 gezeigt. Wenn zum Beispiel die Abschaltzeit TMSOAK länger wird, verändert sich jeder der vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3 mit einem zunehmenden Trend.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der Ausführung im „Zustand 1”, in dem die Anoden-Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem vorbestimmten ersten Schwellenwert M1 ist, das Öffnen des Spülventils 30 verhindert, und daher lässt sich verhindern, dass die Konzentration des Wasserstoffs, der von dem Brenngasabführweg 56 zum Verdünner 32 abgeführt wird, übermäßig ist. Ferner wird der Wasserstoffdruck der Anode 11A gleich dem Wasserstoffdruck (vorbestimmter Druck #PH2FCCHKN) während Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt, und daher kann die Ausführung der normalen Stromerzeugung, nach Abschluss der Startausführung des Brennstoffzellensystems 10, rasch eingeleitet werden.
Darüber hinaus wird im „Zustand 2”, in dem die Anoden-Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem vorbestimmten zweiten Schwellenwert M2 ist und kleiner als der vorbestimmte zweite Schwellenwert M2 ist, der Wasserstoffdruck der Anode 11A im Vergleich zum vorbestimmten Druck #PH2FCCHKN weiter reduziert, und daher wird die Substitution mit Wasserstoff in der Anode 11A begünstigt, während eine Zunahme der Wasserstoffmenge vermieden wird, die von dem Brenngasabführweg 26 an dem Verdünner 32 abgeführt wird. Im Ergebnis ist es möglich, das Brennstoffzellensystem 10 rasch zu starten.
Darüber hinaus wird im „Zustand 3”, in dem die Anoden-Wasserstoffkonzentration kleiner als der vorbestimmte zweite Schwellenwert ist, der Wasserstoffdruck der Anode 11A im Vergleich zum vorbestimmten Druck #PH2FCCHKN weiter erhöht, und daher wird ein Vermischen von Wasserstoff seitens der Anodenzuführöffnung 11c und seitens der Anodenabführöffnung 11d der Anode 11A begünstigt. Dementsprechend wir das Auftreten eines Hochpotentialzustands im Kathodenpotential vermieden, und daher kann eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 11 vermieden werden. Ferner wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 im Vergleich zum „Zustand 1” und „Zustand 2” weiter erhöht, wodurch das Vermischen von Wasserstoff seitens der Anodenzufuhröffnung 11c und seitens der Anodenabführöffnung 11d der Anode 11A weiter begünstigt werden kann. Wenn ferner das im System der Anode 11A zurückgehaltene Wasser abgeführt wird, wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 28 weiter verringert im Vergleich zum Fall, wo das Auftreten des Hochpotentialzustands im Kathodenpotential unterdrückt wird. Dementsprechend werden die Abfuhr des rückgehaltenen Wassers und das Nachfüllen von Wasser in einem Auffangtank (nicht gezeigt) begünstigt, und daher kann das Brennstoffzellensystem rasch gestartet werden und kann die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystems 10 verbessert werden.
Ferner wird im „Zustand 2” und „Zustand 3” das Spülventil 30 geöffnet, und somit kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode 11A begünstigt werden.
Ferner wird die Wasserstoffpumpe 28 in dem Brenngaszirkulationsweg 57 angetrieben, und daher kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode 11A begünstigt werden.
Ferner wird die Wasserstoffpumpe 28 angetrieben, bevor die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet wird, und daher kann eine Gasströmung im Zirkulationssystem durch den Brenngaszirkulationsweg 57, den Brenngaszuführweg 55, die Anode 11A und den Brenngasabführweg 56 vorab ausgebildet werden. Wenn dementsprechend die Wasserstoffzufuhr vom Wasserstofftank 21 zur Anode 11A eingeleitet wird, kann die Substitution mit Wasserstoff in der Anode 11A begünstigt werden, während das Auftreten eines ungleichmäßigen Zustands in einer Wasserstoffkonzentrationsverteilung in einer Stapelebene vermieden wird. Ferner wird, auch nach Einleitung der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 11, die Wasserstoffpumpe 28 kontinuierlich angetrieben. Dementsprechend wird zum Beispiel auch in einem Fall, worin die Wasserstoffzufuhr vom Injektor 24 gestoppt wird, wenn der Anodendruck abnimmt, und dergleichen, das Auftreten des ungleichmäßigen Zustands in der Wasserstoffkonzentrationsverteilung in der Stapelebene unterdrückt, und daher ist es möglich, eine Abnahme der Stöchiometrie zu vermeiden.
Wenn ferner die Abschaltzeit TMSOAK länger wird, wird die Antriebszeit der Wasserstoffpumpe 28, d. h. jede der vorbestimmten Zeiten T1, T2 und T3, zum zunehmenden Trend hin verändert, und somit kann die gewünschte Substitution mit Wasserstoff in der Anode 11A akkurat ausgeführt werden, unabhängig von der Abschaltzeit TMSOAK der Brennstoffzelle.
Ferner wird die Anoden-Wasserstoffkonzentration gemäß der Abschaltzeit TMSOAK und/oder dem Anodendruck Ph und/oder dem Kathodendruck Pa geschätzt, und daher kann die Wasserstoffkonzentration genau erfasst werden, ohne einen Sensor vorzusehen, der die Wasserstoffkonzentration erfasst, und dergleichen.
Obwohl oben bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, versteht es sich, dass es sich hierbei nur um Ausführungsbeispiele handelt, und sie die Erfindung nicht einschränken sollen.
Es wird ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) angegeben, enthaltend: einen Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration in der Anode (11A), einen Schwellenwertbestimmungsprozess zum Bestimmen, ob die vom Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess erfasste Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellenwert (M2) ist oder nicht, sowie einen Startdrucksetzprozess zum Setzen eines Drucks des der Anode (11A) von einem Wasserstofftank (21) zugeführten Wasserstoffs, wenn von dem Wasserstofftank (21) der Anode (11A) Wasserstoff einem Zustand zugeführt wird, in dem ein Schaltschütz (39) getrennt ist.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
11: Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle)
11A: Anode
11B: Kathode
13: Luftkompressor(Oxidationsgaszuführeinheit)
15: Einlassschließventil (Schließventil)
16: Auslassschließventil (Schließventil)
18: Bypassventil
21: Wasserstofftank (Brenngaszuführeinheit)
22: Wasserstoffzuführventil (Brenngaszuführeinheit)
28: Wasserstoffpumpe
30: Spülventil
32: Verdünner (Verdünnungseinheit)
39: Schaltschütz (Verbindungs- und Trenneinheit)
41: Steuervorrichtung (Steuereinheit)
51: Oxidationsgaszuführweg
52: Oxidationsgasabführweg
53: Bypassweg
55: Brenngaszuführweg
56: Brenngasabführweg
57: Brenngaszirkulationsweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-301771 A [0002]

Claims

Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10), das aufweist: eine Brennstoffzelle (11), die durch Brennstoff einer Anode (11A) und Oxidationsmittel einer Kathode (11B) Elektrizität erzeugt; eine Brenngaszuführeinheit (21, 22), die ein den Brennstoff enthaltendes Brenngas der Anode (11A) zuführt; eine Oxidationsgaszuführeinheit (13), die ein das Oxidationsmittel enthaltendes Oxidationsgas der Kathode (11B) zuführt; Verbindungs- und Trenneinheit (39), die in der Lage ist, eine Verbindung und Trennung zwischen der Brennstoffzelle (11) und einer elektrischen Last (PDU, M) vollständig umzuschalten; und eine Steuereinheit (41), die die Brenngaszuführeinheit (21, 22) und die Oxidationsgaszuführeinheit (13) steuert/regelt, wobei das Verfahren aufweist: einen Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess (S02, S03) zum Erfassen einer Konzentration des Wasserstoffs als der Brennstoff in der Anode (11A); einen Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) zum Bestimmen, ob die vom Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess (S02, S03) erfasste Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich einem ersten Schwellenwert (M1) ist; und einen Startdrucksetzprozess (S08, S14) zum Setzen eines Drucks des Wasserstoffs, der von der Brenngaszuführeinheit (21, 22) während der Startausführung der Brennstoffzelle (11) zugeführt wird, um den Wasserstoff von der Brenngaszführeinheit (21, 22) der Anode (11A) zuzuführen, in einem Zustand, in dem die Verbindungs- und Trenneinheit (39) ausgeschaltet ist, basierend auf einem Bestimmungsergebnis von dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05), worin in dem Startdrucksetzprozess (S08, S14) in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert (M1) ist, der Wasserstoffdruck (Ph) auf weniger als oder gleich einem Druck des Wasserstoffs während der Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt wird, die nach Startabschluss der Brennstoffzelle (11) ausgeführt wird, und in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S08, S14) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration kleiner als der erste Schwellenwert (M1) ist, der Wasserstoffdruck (Ph) höher gesetzt wird als der Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1, worin: das Brennstoffzellensystem (10) ferner aufweist: einen Brenngasabführweg (56), aus dem das von der Anode (11A) abgeführte Brenngas fließen kann; und ein Spülventil (30), das den Brenngasabführweg (56) öffnen und schließen kann, wobei das Verfahren ferner umfasst: einen Vorbestimmter-Druck-Bestimmungsprozess (S15, S20) zur Bestimmung, ob der Druck des von der Brenngaszuführeinheit (21, 22) zugeführten Wasserstoffs während des Starts der Brennstoffzelle (11) größer als oder gleich einem vorbestimmten Druck entsprechend der Wasserstoffkonzentration ist, die von dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess (S02, S03) erfasst wird; und einen Spülventilöffnungs- und -schließprozess (S15, S20) zum Schließen des Spülventils (30) in einem Fall, wo in dem Vorbestimmter-Druckbestimmungsprozess (S15, S20) bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck kleiner als der vorbestimmte Druck ist, und zum Öffnen des Spülventils (30) in einem Fall, wo in dem Vorbestimmter-Druckbestimmungsprozess (S15, S20) bestimmt wird, dass der Druck des Wasserstoffs größer als oder gleich dem vorbestimmten Druck ist.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 2, worin in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, ob die Wasserstoffkonzentration, die in dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess (S02, S03) erfasst wird, größer als oder gleich einem zweiten Schwellenwert ist oder nicht, der größer als der erste Schwellenwert ist, und in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem zweiten Schwellenwert (M2) ist, im Startdrucksetzprozess (S08, S14) der Wasserstoffdruck gleich dem Wasserstoffdruck während der Ausführung der normalen Stromerzeugung gesetzt wird: und das Verfahren ferner aufweist: Spülventilöffnungs-Verhinderungsprozess (S09) zum Verhindern der Öffnung des Spülventils (30), falls in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem zweiten Schwellenwert (M2) ist.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensysems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Brennstoffzellensystem (10) aufweist: einen Brenngaszuführweg (55), durch den das Brenngas zu der Anode (11A) fließen kann; einen Brenngasabführweg (56), durch den das von der Anode (11A) abgeführte Brenngas fließen kann; einen Brenngaszirkulationsweg (57), der den Brenngasabführweg (56) und den Brenngaszuführweg (55) verbindet und durch den das von der Anode (11A) abgegebene Brenngas zu dem Brenngaszuführweg (55) fließen kann; und eine Wasserstoffpumpe (28), die den Wasserstoff durch den Brenngaszirkulationsweg (57) umwälzt; wobei das Verfahren ferner umfasst: einen Wasserstoffpumpenantriebsprozess (S06, S12) zum Antrieb der Wasserstoffpumpe (28), während der Start der Brennstoffzelle (11) ausgeführt wird.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 4, worin in einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration kleiner als der erste Schwellenwert (M1) ist, in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess (S06, S12) die Drehzahl der Wasserstoffpumpe (30) weiter erhöht wird im Vergleich zu einem Fall, wo in dem Schwellenwertbestimmungsprozess (S04, S05) bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration größer als oder gleich dem ersten Schwellenwert (M1) ist.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 4 oder 5, worin in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess (S06, S12) die Wasserstoffpumpe (30) angetrieben wird, bevor der Wasserstoff von der Brenngaszuführeinheit (21, 22) der Anode (11A) zugeführt wird.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, worin in dem Wasserstoffantriebsprozess (S06, S12) eine Antriebszeit der Wasserstoffpumpe (30), einhergehend mit einer Zunahme der Abschaltzeit der Brennstoffzelle (11), mit zunehmendem Trend geändert wird.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 5, worin in dem Wasserstoffpumpenantriebsprozess (S06, S12) die Drehzahl der Wasserstoffpumpe (30) verringert wird, nachdem nach Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe (30) eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist.
Das Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin in dem Wasserstoffkonzentrationserfassungsprozess (S02, S03) die Wasserstoffkonzentration unter Verwendung der Abschaltzeit der Brennstoffzelle (11) und/oder eines Atmosphärendrucks der Anode (11A) für einen Abschaltterm der Brennstoffzelle (11) und/oder eines Atmosphärendrucks der Kathode (11B) für den Abschaltterm der Brennstoffzelle (11) geschätzt wird.