-
Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das bei einer Aktivierung des Systems eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung ausführt.
-
Technischer Hintergrund
-
Als ein Brennstoffzellensystem, das als seine Energiequelle eine Brennstoffzelle aufweist, die eine Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt, offenbart z. B. die japanische Patentschrift
JP 2004-165058 A eine Technik zum Ausführen einer sogenannten Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung, die, während sich das System nach der Aktivierung aufwärmt, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases erhöht, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gering ist, und beurteilt wird, dass dieser Rückgang in der Ausgangsspannung durch einen Reststickstoff in der Brennstoffzelle verursacht worden sein soll.
-
Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie Verfahren zum Erfassen von Verunreinigungen im Brennstoffabgas sind ferner bekannt aus den Druckschriften
US 2004/0067399 A1 ,
JP H06-150952 A ,
DE 11 2005 001 162 T5 ,
DE 10 2004 049 165 A1 und
JP 2006-079891 A .
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei Brennstoffzellensystemen, die eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung nach einer Aktivierung des Systems ausführen, ist nach der Aktivierung des Systems, kurz nach einem Umschalten auf einen Normalbetrieb (normalen Leistungserzeugungsbetrieb) der Ist-Druck (der nachstehend als „Ist-Druck” bezeichnet wird) im Vergleich zum Soll-Gaszuführdruck für die Anode (der nachstehend als „Soll-Druck” bezeichnet wird) hoch, so dass sogar selbst wenn eine hohe Konzentration von Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) in der Anode vorliegt, eine Druckreduktionsverarbeitung stattfindet, damit der Ist-Druck an den Soll-Druck angepasst ist.
-
Während dieser Druckreduktionsverarbeitung wird dadurch eine Reduktion der Brenngaskonzentration herbeigeführt, dass der Brennstoffzelle kein neues Brenngas mehr zugeführt wird, das sich weiter stromabwärts von dem Regler befindet, der den Gaszuführdruck der Anode regelt, und ergänzend dazu wird eine Reduktion der Spannung herbeigeführt, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird (Zellenspannung), und es gibt Fälle, in denen dadurch ein reibungsloser Übergang in den Normalbetrieb oder eine reguläre Beibehaltung desselben behindert werden kann. Die vorliegende Erfindung zieht diese Umstände in Betracht, und es ist die ihr zugrundeliegende Aufgabe, jede Reduktion der durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung, die nach Ausführung einer Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung nach einer Systemaktivierung auftreten kann, zu unterdrücken.
-
Um die vorliegende Aufgabe zu lösen, wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich um ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzuführsystem zum Zuführen eines Brenngases zu einer Anode in der Brennstoffzelle, das eine Zirkulationsleitung zum Vermischen eines Brennstoffabgases, das aus dem Abführkanal der Anode der Brennstoffzelle abgeführt wird, mit neuem Brenngas von einer Brennstoffzuführquelle und zum erneuten Zuführen des Brennstoffabgases zu einem Eingangskanal der Anode, und ein Abführventil, das in der Zirkulationsleitung angeordnet ist und das, wenn es geöffnet ist, das Brennstoffabgas nach außerhalb des Systems ausstößt, aufweist, eine Steuerungsvorrichtung; und eine variable Gaszuführvorrichtung, die in dem Brennstoffzuführsystem angeordnet ist und die Menge des der Anode zugeführten Gases einstellt, angeordnet sind. Das Brennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass bei Brennstoffzellensystem-Aktivierungsbetrieb die mit der Steuerungsvorrichtung verbundene variable Gaszuführvorrichtung neuen Brenngaszuführmengenstrom von der Brennstoffzuführquelle zu der Anode bei einem Wert beibehält, der höher ist als der eines neuen Brenngaszuführmengenstroms, der in Reaktion auf den elektrischen Strom eingestellt wird, der durch die Brennstoffzelle während eines Normalbetriebs erzeugt wird,, bis die Konzentration von Verunreinigungen in dem der Anode zugeführten Gas einen bestimmten Wert unterschreitet. Kurz nach einem Umschalten von dem Aktivierungsbetrieb in den Normalbetrieb wird ein Gaszuführmengenstrom zu der Anode mittels einer Druckreduzierungsvorrichtung reduziert. Das Abführventil befindet sich in einem geschlossenen Zustand, während der Brenngaszuführmengenstrom zu der Anode bei einem Wert beibehalten wird, der höher ist als der eines neuen Brenngaszuführmengenstroms, der in Reaktion auf einen elektrischen Strom eingestellt wird, der durch die Brennstoffzelle während eines Normalbetriebs erzeugt wird; und die mit der Steuerungsvorrichtung verbundene variable Gaszuführvorrichtung reduziert, wenn das Abführventil offen ist, den Gaszuführmengenstrom zu der Anode noch stärker als bevor das Abführventil geöffnet ist.
-
Wenn das System aktiviert wird, findet bei dieser Konfiguration eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung statt, bei der der Anode bei einem höheren Druck als während der normalen Leistungserzeugung ein Brenngas zugeführt wird, und wird anschließend, kurz nach dem Umschalten auf einen Normalbetrieb (normale Leistungserzeugung), selbst wenn eine Druckreduktionsverarbeitung ausgeführt wird, um zu bewirken, dass der Ist-Druck am Anodeneingang an den Soll-Druck angepasst ist, die Konzentration von Verunreinigungen in dem Brenngaszuführsystem einschließlich des Anodeninneren auf unter einen bestimmten Wert gesenkt – in anderen Worten, wird die Brenngaskonzentration über einen bestimmten Wert hinaus erhöht, so dass sogar in einem Zustand, in dem die Menge des der Anode zugeführten Brenngases infolge der Druckreduktionsverarbeitung sogar noch weiter reduziert werden soll, jede Reduktion in der durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung (Zellenspannung) unterdrückt wird. In Verbindung mit der variablen Gaszuführvorrichtung, die den Zustand des stromauf im Brennstoffzuführsystem befindlichen Gases dem Sollwert anpasst und ein Gas in der stromabwärtigen Richtung zuführt, und einer Steuerungsvorrichtung, die eine Antriebssteuerung für die variable Gaszuführvorrichtung abhängig von dem Sollwert ausführt, kann die der Anode durch die variable Gaszuführvorrichtung zugeführte Gasmenge in der Regulierungseinrichtung über die Menge hinaus erhöht werden, die während einer normalen Leistungserzeugung zugeführt wird.
-
Die variable Gaszuführvorrichtung kann der Anode ein Brenngas bei einem Druck zuführen, der höher ist als während einer normalen Leistungserzeugung, und den Gaszuführdruck zur Anode auf einem höheren Wert halten als während der normalen Leistungserzeugung, bis die Stickstoffkonzentration auf unter einen bestimmten Wert reduziert ist.
-
Das Brennstoffzuführsystem weist eine Zirkulationsleitung zum Vermischen des Brennstoffabgases (bzw. Fuel-Off-Gas), das aus dem Abführkanal der Brennstoffzellenanode ausgestoßen wird, mit einem neuen Brenngas und zum erneuten Zuführen desselben zum Eingangskanal der Anode sowie ein Sperrventil auf, das in der Zirkulationsleitung angeordnet ist, das, wenn es sich öffnet, ein Brennstoffabgas nach außerhalb des Systems abführt, und sie kann die Menge des der Anode zugeführten Gases als Reaktion auf das geöffnete Sperrventil noch weiter reduzieren. Wenn das Sperrventil geöffnet ist und ein Teil des Brennstoffabgases nach außerhalb des Systems ausgestoßen wird, wird die Konzentration von Verunreinigungen in dem Gasgemisch aus dem neuen Brenngas von der Brennstoffzuführquelle und dem der Anode zugeführten Brennstoffabgas geringer – in anderen Worten nimmt die Konzentration des Brenngases in dem Gasgemisch zu, so dass, selbst wenn die Menge des der Anode zugeführten Brenngases noch weiter reduziert wird, jede Reduktion in der durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung unterdrückt wird und die Einsparung an Brennstoff verbessert werden kann. Die variable Gaszuführvorrichtung weist einen Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung auf, die einen gasförmigen Brennstoff (Brenngas) einspritzt, einen Düsenkörper, der die Zuführung des gasförmigen Brennstoffes zur Einspritzöffnung lenkt, und ein Ventil, das in Bezug auf die axiale Richtung des Düsenkörpers beweglich gesichert ist, und die Einspritzöffnung kann, indem das Ventil durch eine elektromagnetische Antriebskraft bei einem bestimmten Ansteuerungszyklus angesteuert wird, geöffnet/geschlossen werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann jede Reduktion in der durch die Brennstoffzelle erzeugten Spannung, die auftreten kann, wenn eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung bei einer Systemaktivierung ausgeführt wird, unterdrückt werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist ein Flussdiagramm, das den Steuerungsfluss der in 1 gezeigten Einspritzdüse erläutern soll.
-
3 ist ein Beispiel für das Kennfeld, das in der Verarbeitung bei Schritt S7 des in 2 gezeigten Flussdiagramms verwendet wird.
-
4 ist ein Beispiel für das Kennfeld, das in der Verarbeitung bei Schritt S9 des in 2 gezeigten Flussdiagramms verwendet wird.
-
5 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem Soll-Druck der Brennstoffzellen-Eingangsseite und dem Ist-Druck, wenn die in 1 gezeigte Einspritzdüse gemäß dem in 2 gezeigten Flussdiagramm gesteuert wird.
-
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
-
Ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Diagramme erläutert. In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt eine Erläuterung der vorliegenden Erfindung, wobei von einem Beispiel ausgegangen wird, das in einem fahrzeugeigenen elektrischen Leistungserzeugungssystem in einem Fahrzeug (einer beweglichen Karosserie) verwendet wird. Zunächst erfolgt eine Erläuterung der Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinzuziehung von 1. Wie in 1 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10 auf, die einen Zuführung eines gasförmigen Reaktionspartners (eines Oxidationsgases und eines Brenngases) aufnimmt und eine Leistung erzeugt, sowie ein Oxidationsgas-Leitungssystem 2, das eine Luft als Oxidationsgas der Brennstoffzelle 10 zuführt, ein Wasserstoffgas-Leitungssystem (Brenngaszuführsystem) 3, das der Brennstoffzelle 10 ein Wasserstoffgas zuführt, und eine Steuerungsvorrichtung 4 oder dergleichen, die eine Gesamtsteuerung des gesamten Systems ausführt.
-
In der Brennstoffzelle 10 wird die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, die eine Stapelstruktur aufweist, die aus der erforderlichen Anzahl der elektrischen Leistungserzeugungszellen, denen der gasförmige Reaktionspartner zugeführt wird, aufgebaut ist, einer PCU (Power Control Unit bzw. Leistungssteuerungseinheit) 11 zugeführt. Die PCU 11 weist einen Inverter oder Gleichstromwandler oder ähnliches auf, der zwischen der Brennstoffzelle 10 und einem Fahrmotor 12 angeordnet ist. In der Brennstoffzelle 10 ist zudem ein elektrischer Stromsensor 13 installiert, der während der elektrischen Leistungserzeugung einen elektrischen Strom erfasst.
-
Das Oxidationsgas-Leitungssystem 2 weist eine Luftzuführleitung 21 auf, die ein Oxidationsgas (Luft), das durch eine Befeuchtungseinrichtung 20 befeuchtet wird, der Brennstoffzelle 10 zuführt, und eine Luftabführleitung 22, die das oxidierte Abgas, das aus der Brennstoffzelle 10 ausgestoßen wird, zur Befeuchtungseinrichtung 20 lenkt, und eine Lüftungsleitung 23, die das oxidierte Abgas aus der Befeuchtungseinrichtung 20 nach außen lenkt. Die Luftzuführleitung 21 ist mit einem Verdichter 24 versehen, der ein Oxidationsgas in der Atmosphäre auffängt und der Befeuchtungseinrichtung 20 durch Zwangszuführung zuführt.
-
Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 weist als eine Brennstoffzuführquelle, in der ein unter hohem Druck (z. B. 70 MPa) stehendes Wasserstoffgas gespeichert ist, einen Wasserstofftank (eine Brennstoffzuführquelle) 30 auf, eine Wasserstoffzuführleitung 31 als eine Brennstoffzuführleitung zum Zuführen des Wasserstoffgases des Wasserstofftanks 30 zur Brennstoffzelle 10 und eine Zirkulationsleitung 32 zum Zurückführen des Wasserstoff-Abgases, das aus der Brennstoffzelle 10 an die Wasserstoffzuführleitung 31 ausgestoßen wird. Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 ist eine Ausführungsform des Brennstoffzuführsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
Außerdem können anstelle des Wasserstofftanks 30 eine Reformierungseinrichtung, die ein wasserstoffreiches, reformiertes Gas aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt, und ein Hochdruck-Gastank, der das reformierte Gas in einem Hochdruckzustand speichert, als die Brennstoffzuführquelle genutzt werden. Ferner kann auch ein Tank, der eine wasserstoffabsorbierende Legierung aufweist, als die Brennstoffzuführquelle verwendet werden.
-
Ein Sperrventil 33, das die Zuführung eines Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank sperrt oder freigibt, ein Regler 34, der den Druck des Wasserstoffgases anpasst, und eine Einspritzdüse (variable Gaszuführvorrichtung) 35 sind in der Wasserstoffzuführleitung 31 angeordnet. Ein Primärdrucksensor 41 und ein Temperatursensor 42, die den Druck und die Temperatur des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführleitung 31 erfassen, sind stromauf der Einspritzdüse 35 angeordnet. Ferner ist stromabwärts der Einspritzdüse 35 ein Sekundärdrucksensor 43, der den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuführhleitung 31 erfasst, stromauf der Verbindungsstelle der Wasserstoffzuführleitung 31 und der Zirkulationsleitung 32 angeordnet. Der Regler 34 ist eine Vorrichtung, die den Druck (Primärdruck) auf den zuvor eingestellten Sekundärdruck einstellt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein mechanisches Druckreduktionsventil, das den Primärdruck reduziert, als der Regler 34 verwendet. Eine hinreichend bekannte Konfiguration, die so ausgebildet ist, dass eine Gegendruckkammer und eine Druckanpassungskammer durch eine Membran getrennt sind und der Gegendruck in der Gegendruckkammer verwendet wird, um den Primärdruck auf einen bestimmten Druck im Inneren der Druckanpassungskammer zu reduzieren, und dieser Druck als der Sekundärdruck eingestellt wird, kann als die Konfiguration des mechanischen Druckreduktionsventils verwendet werden.
-
In der vorliegenden Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, kann der Druck stromauf der Einspritzdüse 35 wirksam reduziert werden, indem zwei Regler 34 stromauf der Einspritzdüse 35 angeordnet werden. Folglich kann der Grad der Entwurfsfreiheit in Bezug auf die mechanische Struktur der Einspritzdüse 35 (Ventile, Gehäuse, Leitungen, Antriebsvorrichtungen etc.) erhöht werden.
-
Da der Druck stromauf der Einspritzdüse 35 reduziert werden kann, kann ferner eine erschwerte Bewegung des Ventils in der Einspritzdüse 35, die durch einen Anstieg der Druckdifferenz zwischen dem Druck stromauf und stromabwärts der Einspritzdüse 35 bewirkt wird, unterdrückt werden. Dementsprechend kann das Ausmaß, mit dem der Druck stromabwärts der Einspritzdüse 35 angepasst werden kann, erhöht werden, während jede Reduktion im Ansprechverhalten der Einspritzdüse 35 unterdrückt werden kann.
-
Die Einspritzdüse 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Sperrventil, das den Gaszustand der Gasströmung oder des Gasdrucks etc. anpassen kann, indem das Ventil mit einer elektromagnetischen Antriebskraft bei einem bestimmten Antriebszyklus direkt angetrieben wird und zwischen dasselbe und den Ventilsitz ein Abstand eingerichtet wird. Zusammen mit einem Ventilsitz, der eine Einspritzöffnung aufweist, die einen gasförmigen Brennstoff, wie z. B. ein Wasserstoffgas oder dergleichen, einspritzt, ist die Einspritzdüse 35 mit einem Düsenkörper, der die Zuführung des gasförmigen Brennstoffs zur Einspritzöffnung lenkt, und einem Ventil versehen, das in Bezug auf die axiale Richtung (Gasströmungsrichtung) des Düsenkörpers, der die Einspritzöffnung öffnet/schließt, beweglich gesichert ist.
-
In der vorliegenden Ausführungsform wird das Ventil der Einspritzdüse 35 durch eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung mit einer Magnetspule angetrieben, und infolge des Ein-/Aus-Zustands des gepulsten Erregerstroms, der dieser Magnetspule zugeführt wird, kann der Öffnungsbereich der Einspritzöffnung auf einen Zweistufen-, Mehrstufen-, kontinuierlichen (stufenlosen) oder linearen Betrieb [Modus] umgeschaltet werden. Durch Steuern der Gaseinspritzdauer und des Gaseinspritzsteuerungszeitpunkts kann ferner der Durchsatz und Druck des Wasserstoffgases mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
-
Wie vorstehend erläutert wurde, verwendet die Einspritzdüse 35 eine elektromagnetische Antriebskraft, um die Öffnung und Schließung des Ventils (Ventil und Ventilsitz) direkt anzusteuern, weil der Ansteuerungszyklus so gesteuert werden kann, dass er innerhalb eines hoch ansprechenden Bereichs eingestellt ist. Zusammen mit der Gasströmung, die abhängig von der Öffnung oder Schließung des Ventils in der Einspritzdüse 35 angepasst wird, wird der stromabwärts der Einspritzdüse 35 zugeführte Gasdruck auf unterhalb des Gasdrucks stromauf der Einspritzdüse 35 reduziert, so dass die Einspritzdüse 35 auch als ein Regler (Druckreduktionsventil, Regler) verstanden werden kann. Ferner kann sie in der vorliegenden Ausführungsform auch als ein variabler Regler aufgefasst werden, der den durch Druck angepassten Betrag (druckreduzierter Betrag) des Gasdrucks stromauf der Einspritzdüse 35 ändern kann, so dass sich der erforderliche Druck abhängig von der Gasanforderung in Übereinstimmung mit einem bestimmten Druckbereich befindet.
-
In der vorliegenden Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist die Einspritzdüse 35 ferner stromauf der Verbindungsstelle A1 der Wasserstoffzuführleitung 31 und der Zirkulationsleitung 32 angeordnet. Wie durch eine gestrichelte Linie in 1 gezeigt ist, ist ferner, wenn mehrere Wasserstofftanks 30 als die Brennstoffzuführquelle verwendet werden, eine Einspritzdüse 35 so angeordnet, dass sie stromabwärts des Abschnitts (Wasserstoffgasverbindungsstelle A2) liegt, wo das Wasserstoffgas, das von einem jeweiligen Wasserstofftank 30 zugeführt wird, zusammengeführt wird.
-
Eine Abführleitung 38 ist mit der Zirkulationsleitung 32 über einen Gas-Flüssigkeits-Separator 36 und ein Gas-/Flüssigkeits-Abführventil 37 verbunden. Der Gas-Flüssigkeits-Separator 36 gewinnt die Feuchtigkeit aus dem Wasserstoffabgas wieder. Das Gas-/Flüssigkeitsabführventil 37, das entsprechend den Anweisungen von der Steuerungsvorrichtung 4 arbeitet, führt (spült) das Wasserstoffabgas einschließlich der Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) in der Zirkulationsleitung 32 und der am Gas-Flüssigkeits-Separator 36 wieder gewonnenen Feuchtigkeit nach außen ab.
-
Ferner ist die Zirkulationsleitung mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen, die den Druck des Wasserstoff-Abgases in der Zirkulationsleitung 32 erhöht und dieses zur Wasserstoffzuführleitung 31 sendet. Das Gas in der Abführleitung 38 wird durch eine Verdünnungseinrichtung 40 verdünnt und mit dem Gas in der Lüftungsleitung 23 zusammengeführt.
-
Die Steuerungsvorrichtung 4 erfasst, wie oft eine Beschleunigungsbetätigungsvorrichtung (Fahrpedal oder ähnliches), die das Fahrzeug aufweist, betätigt wird, empfängt Steuerungsinformationen, wie z. B. den Beschleunigungsanforderungswert (z. B. den Leistungserzeugungsbetrag, der durch die Lastvorrichtung des Fahrmotors 12 oder ähnliches angefordert wird), und steuert das Verhalten von verschiedenen Teilen der Ausrüstung im System.
-
Die Steuerungsvorrichtung 4 besteht aus einem Computersystem, das in den Diagrammen nicht gezeigt ist. Dieses Computersystem weist eine CPU, einen ROM, einen RAM, einen HDD, eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle und eine Anzeige etc. auf und realisiert verschiedene Arten einer Steuerung durch die CPU, die verschiedene Arten von in dem ROM aufgezeichneten Steuerungsprogrammen liest und ausführt. 2 ist der Steuerungsfluss, der herangezogen wird, wenn das System aktiviert wird; insbesondere der Steuerungsfluss, der für die Einspritzdüse 35 von der Aktivierung des Systems bis zum Umschalten auf eine normale Leistungserzeugung (Normalbetrieb) implementiert wird, wie z. B. wenn die Steuerungsvorrichtung 4 ein durch einen Benutzer initiiertes Zündung-ein-Signal erfasst und eine Zuführung des gasförmigen Reaktionspartners zur Brennstoffzelle 10 startet.
-
Ferner handelt es sich bei 3 um ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem durch die Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen Strom (der nachstehend als ein „elektrischer Brennstoffzellenstrom” bezeichnet wird) und dem eingangsseitigen Soll-Druck der Brennstoffzelle 10 (der nachstehend als der „Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck” bezeichnet wird) darstellt, das in der Verarbeitung bei Schritt S7 in 2 verwendet wird, während es sich bei 4 um ein Kennfeld handelt, das die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom der Brennstoffzelle und der Grund-Einspritzdauer (F/F-Term) der Einspritzdüse 35 darstellt, das in der Verarbeitung in Schritt S9 in 2 verwendet wird.
-
In dem Flussdiagramm von 2 wird zunächst die anfängliche Einstellung für den Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck eingerichtet (Schritt S1). Dann wird der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck bei diesem anfänglichen Einstellungswert beibehalten, bis die Konzentration der Verunreinigungen in dem der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gas auf unter einen bestimmten Wert abfällt (Schritt S3: NEIN). Dieser anfängliche Einstellungswert wird auf einen bestimmten Wert P2 eingestellt, der höher ist als der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck (Brenngas-Zuführmenge), der als Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom während der normalen Leistungserzeugung eingestellt wird, in anderen Worten der Druck P1 in 3.
-
Bei einer Systemaktivierung in der vorliegenden Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, wird infolgedessen der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck, der in dem selben Diagramm gezeigt ist (die Menge des neuen Wasserstoffgases, das der Anode in der Brennstoffzelle 10 aus dem Wasserstofftank 30 zugeführt wird), bei einem Wert beibehalten, der höher ist als der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck, der als Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom während der normalen Leistungserzeugung eingestellt wird, bis die Konzentration der Verunreinigungen in dem der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gas auf unter den bestimmten Wert abfällt, der in dem selben Diagramm mit einer Strichpunktlinie angezeigt ist.
-
Wie mit einer durchgehenden Linie in dem selben Diagramm gezeigt ist, wird dementsprechend der Ist-Druck an der Eingangsseite der Anode der Brennstoffzelle 10 bei einem Wert beibehalten, der höher ist als während einer normalen Leistungserzeugung, bis die Konzentration der Verunreinigungen in dem Gas, das der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, auf unter den bestimmten Wert abfällt, der in dem selben Diagramm mit einer Strichpunktlinie angezeigt ist, und die Menge des Gases, die der Anode der Brennstoffzelle 10 durch die Einspritzdüse 35 zugeführt wird, wird mehr erhöht als während der normalen Leistungserzeugung.
-
Ferner findet die Beurteilung in Schritt S3 basierend auf dem Ergebnis einer Erfassung durch den Stickstoffsensor oder ähnliches statt, doch ist diese nicht darauf beschränkt, und die Wasserstoffkonzentration des der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gases kann direkt durch einen Wasserstoffsensor erfasst werden, und die Konzentration der Verunreinigungen, die auf unter den bestimmten Wert abgefallen sind, können basierend auf dem Ergebnis dieser Erfassung beurteilt werden.
-
Wenn die Konzentration von Verunreinigungen in dem Gas, das der Anode in der Brennstoffzelle 10 zugeführt worden ist, auf unter den bestimmten Wert abgefallen ist (Schritt S3: JA), wird der elektrische Brennstoffzellenstrom durch den elektrischen Stromsensor 13 erfasst (Schritt S5), dann wird unter Verwendung von beispielsweise dem in 3 gezeigten Kennfeld – in anderen Worten dem Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom, der in Schritt S5 erfasst wurde, und dem Eingangs-Soll-Druck, der als Reaktion auf die für die Brennstoffzelle 10 angeforderte Leistungsabgabe eingestellt wird – der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck anhand des in Schritt S5 erfassten elektrischen Brennstoffzellenstroms ermittelt (Schritt S7).
-
Dadurch dass mehrere Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck-Kennfelder als Reaktion auf die Konzentration von Verunreinigungen in der Anode in der Brennstoffzelle 10 als die Kennfelder (das Kennfeld) mit der Beziehung zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom und dem Eingangs-Soll-Druck, das in 3 gezeigt ist, vorliegen, kann bei Schritt S7 der Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck als Reaktion auf den elektrischen Brennstoffzellenstrom und die Konzentration der Verunreinigungen in der Anode festgelegt werden.
-
Unter Verwendung von beispielsweise dem in 4 gezeigten Kennfeld – in anderen Worten dem Kennfeld, das die Beziehung zwischen dem elektrischen Brennstoffzellenstrom und dem Vorwärtskopplungsterm (der nachstehend als „F/F-Term” bezeichnet wird) darstellt, bei dem es sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt -ermittelt die Steuerungsvorrichtung 4 anschließend den F/F-Term, bei dem es sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt, anhand des elektrischen Brennstoffzellenstroms, der in Schritt S5 erfasst wurde (Schritt S9). Dann ermittelt die Steuerungsvorrichtung 4 die Variation zwischen dem Brennstoffzelleneingangs-Soll-Druck, der bei Schritt S7 ermittelt wurde, und dem aktuellen Druck der Brennstoffzelle 10, der durch den sekundärseitigen Drucksensor 43 erfasst wird (Schritt S11), und ermittelt als einen Korrekturwert zum Korrigieren (Reduzieren) der Eingangsdruckvariation der Brennstoffzelle den Rückführungsterm der Einspritzdauer der Einspritzdüse (der nachstehend als F/B-Term bezeichnet wird) (Schritt S13).
-
Indem der in Schritt S13 ermittelte F/B-Term dem F/F-Term, bei dem es sich um die Grundeinspritzdauer der Einspritzdüse 35 handelt, der in Schritt S9 zusammen mit einem eventuell erforderlichen weiteren Korrekturwert ermittelt wurde, hinzuaddiert wird, ermittelt die Steuerungsvorrichtung 4 anschließend die Einspritzdauer (Einspritzmenge) der Einspritzdüse 35 (Schritt S15).
-
Dann steuert die Steuerungsvorrichtung 4 die Einspritzdauer und den Einspritzsteuerzeitpunkt, indem ein Steuerungssignal zum Realisieren der relevanten Einspritzdauer an die Einspritzdüse 35 gesendet wird, und passt die Strömung und den Druck des Wasserstoffgases an, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Anschließend wird die Verarbeitung in den Schritten S5–S15 in einem festgelegten Zyklus wiederholt.
-
Wie vorstehend erläutert wurde, findet bei der Systemaktivierung in dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Leistungserzeugungs-Wiedergewinnungsverarbeitung statt, bei der der Anode der Brennstoffzelle 10 bei einem höheren Druck als während des Normalbetriebs (der normalen Leistungserzeugung) ein Wasserstoffgas zugeführt wird, und wird anschließend, kurz nach einem Umschalten auf einen Normalbetrieb, selbst wenn eine Druckreduktionsverarbeitung ausgeführt wird, um zu bewirken, dass der Brennstoffzellen-Eingangs-Ist-Druck auf der Anodeneingangsseite mit dem Brennstoffzellen-Eingangs-Soll-Druck übereinstimmt, die Konzentration von Verunreinigungen in dem Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 einschließlich des Anodeninneren auf unter einen bestimmten Wert gesenkt – in anderen Worten, wird die Wasserstoffgaskonzentration auf über einen bestimmten Wert hinaus erhöht, so dass selbst in einem Zustand, wo die Menge des der Anode zugeführten Wasserstoffgases gemäß der Druckreduktionsverarbeitung sogar noch weiter reduziert werden soll, jede Reduktion in der Spannung, die durch die Brennstoffzelle während des Normalbetrieb erzeugt wird (Zellenspannung), unterdrückt werden kann.
-
Die vorstehende Ausführungsform ist ein Beispiel, das die vorliegende Ausführungsform erläutern soll, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt; verschiedenen Bauteile können in geeigneter Weise konstruiert werden, solange sie nicht vom wesentlichen Inhalt der vorliegenden Erfindung abweichen. Wenn das Gas-/Flüssigkeits-Abführventil 37 beispielsweise geöffnet wird, kann die Steuerungsvorrichtung als Reaktion darauf den Öffnungs-/Schließungsbetrieb der Einspritzdüse 35 steuern, so dass bewirkt wird, das die Gasmenge, die der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, noch weiter als bisher reduziert wird.
-
Wenn das Gas-/Flüssigkeitsabführventil 37 sich öffnet und ein Teil des Wasserstoffabgases nach außerhalb des Systems ausgestoßen wird, wird in anderen Worten die Konzentration der Verunreinigungen in dem Gasgemisch aus dem neuen Brenngas aus dem Wasserstofftank 30 und dem Wasserstoffabgas, das der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, geringer – in anderen Worten nimmt die Konzentration des Wasserstoffgases in dem Gasgemisch zu, so dass selbst wenn die Menge des der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gases noch weiter als die bisher zugeführte Gasmenge reduziert wird, kann jede Reduktion der erzeugten Spannung unterdrückt werden.
-
Wenn dementsprechend die vorstehende Ausführungsform so konfiguriert ist, dass sie als Reaktion auf das Öffnen des Gas-/Flüssigkeitsventils 37 die der Anode der Brennstoffzelle 10 zugeführten Gasmenge noch weiter reduziert, kann jede Reduktion der erzeugten Spannung der Brennstoffzelle 10 während eines Normalbetriebs unterdrückt und die Brennstoffersparnis verbessert werden. Obgleich mit der vorstehenden Ausführungsform ein Beispiel angeführt wurde, bei dem ein Brennstoffzellenfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet war, können außer Brennstoffzellenfahrzeugen verschiedene andere bewegliche Objekte (Roboter, Schiffe, Flugzeuge) mit dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgestattet werden. Ferner kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch in einem stationären Leistungserzeugungssystem verwendet werden, das als Leistungserzeugungsausrüstung in Gebäuden (Hausern, Bürogebäuden etc.) eingesetzt wird.