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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein
Steuerverfahren dafür.
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Technischer Hintergrund
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Brennstoffzellensysteme
mit einer Brennstoffzelle, der Reaktionsgase (Brenngas und Oxidierungsgas)
zugeführt werden, und die elektrische Leistung erzeugt,
wurden bereits entwickelt und werden in der Praxis eingesetzt. Bekanntlich
sammeln sich in diesen Brennstoffzellensystemen Verunreinigungen,
wie Stickstoffgas, die aus der Leistungserzeugung stammen, im Lauf
der Zeit im Inneren der Brennstoffzelle oder in einem Abgas-Umwälzweg
an. Um solche Verunreinigungen nach außen abzuführen
(auszuspülen), wurde ein Brennstoffzellensystem entwickelt,
das ein Spülventil, welches in einem mit dem Umwälzweg
verbundenen Abgas-Strömungsweg angeordnet ist, aufweist
und das Öffnen und Schließen des Spülventils
steuert.
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Ebenso
wurde ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das zusätzlich
zur Brennstoffzelle eine Sekundärbatterie, wie eine Speicherbatterie,
aufweist, und das einen Betrieb (Aussetzbetrieb) durchführt,
bei dem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle vorübergehend
unterbrochen ist, beispielsweise dann, wenn das System wenig belastet ist,
und das beispielsweise dann, wenn das System stark belastet ist,
zu einem Normalbetrieb zurückkehrt, um die Leistungserzeugung
neu zu starten. In letzter Zeit wurde außerdem ein Verfahren
entwickelt, mit dem Verunreinigungen wirksam abgeführt werden,
wenn die Brennstoffzelle lange Zeit im Aussetzbetrieb gelaufen ist,
und zwar durch Erhöhen der Häufigkeit des Spülens,
das durchgeführt wird, nachdem die Brennstoffzelle aus
dem Aussetzbetrieb in einen Normalbetrieb zurückgekehrt
ist (siehe z. B. die
japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2007-26843 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Jedoch
kann es auch bei Anwendung des oben genannten, in der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2007-26843 beschriebenen Verfahrens lange dauern, bis
Verunreinigungen durch Spülen abgeführt sind.
Dies kann dazu führen, dass kein stabiler Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzelle erreicht werden kann, nachdem die Brennstoffzelle aus
einem Aussetzbetrieb in einen Normalbetrieb zurückgekehrt
ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das geschilderte Problem zugrunde,
und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems,
das einen stabilen Gleichgewichtszustand einer Brennstoffzelle erreichen
kann, nachdem die Brennstoffzelle aus einem Aussetzbetrieb in einen
Normalbetrieb zurückgekehrt ist.
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Um
das genannte Ziel zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung auf: eine Brennstoffzelle;
ein Brenngassystem mit einem Brenngas-Zufuhrweg, auf dem Brenngas,
das von einer Brenngasquelle geliefert wird, zur Brennstoffzelle
strömt; ein variables Druckregulierungsventil, das einen
Druck eines Gases, das auf dem Brenngas-Zufuhrweg strömt,
variabel regelt; und ein Spülventil, das Gas aus dem Brennstoffzellensystem
abführt, und wobei das Brennstoffzellensystem durch das
Spülventil Verunreinigungen im Brenngassystem abführt,
nachdem die Brennstoffzelle aus einem Zustand, in dem die Leistungserzeugung
ausgesetzt ist, in einen Zustand übergeht, in dem Leistung
erzeugt wird. Dieses Brennstoffzellensystem weist eine Steuervorrichtung
auf, die, falls eine Verunreinigungsmenge im Brenngassystem während
der ausgesetzten Leistungserzeugung über eine vorgegebene
Menge steigt, nach dem Übergang der Brennstoffzelle aus
dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, in den
Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, die Öffnungs- und Schließungsbetätigung
des variablen Druckregulierungsventils so steuert, dass das Brenngas,
das zur Brennstoffzelle geliefert wird, einen Druck aufweist, der über
einem vorgegebenen Bezugswert liegt.
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Ebenso
ist ein Brennstoffzellen-Steuerverfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems
mit einer Brennstoffzelle; einem Brenngassystem, das einen Brenngas-Zufuhrweg
aufweist, auf dem Brenngas, das von einer Brenngasquelle geliefert
wird, zur Brennstoffzelle strömt; einem variablen Druckregulierungsventil,
das einen Druck eines Gases, das auf dem Brenngas-Zufuhrweg strömt,
variabel regelt; und einem Spülventil, das Gas aus dem
Brennstoffzellensystem abführt, wobei das Brennstoffzellensystem
durch das Spülventil Verunreinigungen im Brenngassystem
abführt, nachdem die Brennstoffzelle aus einem Zustand,
in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, in einen Zustand übergeht,
in dem Leistung erzeugt wird, und dieses Verfahren umfasst den Schritt
des Steuerns der Öffnungs- und Schließungsbetätigung
des variablen Druckregulierungsventils nach Übergang der
Brennstoffzelle aus dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt
ist, in den Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, derart, dass
die Brennstoffzelle einen Druck aufweist, der über einem
vorgegebenen Bezugswert liegt, falls während des Zustands,
in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt war, eine Verunreinigungsmenge
im Brenngassystem über eine vorgegebene Menge gestiegen
ist.
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Anhand
des oben genannten Aufbaus und Verfahrens kann der Druck des Brenngases,
das geliefert werden soll, nachdem die Brennstoffzelle aus dem Zustand,
in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, in den Zustand, in
dem Leistung erzeugt wird, übergegangen ist, auf einen
relativ hohen Pegel (einen Wert, der über einem vorgegebenen
Bezugswert liegt) gesetzt werden, falls die Menge der Verunreinigungen
im Brenngassystem über eine vorgegebene Menge steigt, wenn
das Brennstoffzellensystem in einem Zustand ist, in dem die Leistungserzeugung
ausgesetzt ist. Somit kann selbst dann, wenn es relativ lang dauert,
bis die Verunreinigungen im Brenngassystem abgeführt sind,
nachdem die Brennstoffzelle aus dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung
ausgesetzt ist, in den Zustand übergegangen ist, in dem
Leistung erzeugt wird, der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
stabilisiert werden. Man beachte, dass „Zustand, in dem die
Leistungserzeugung ausgesetzt ist” einen Zustand bezeichnet,
in dem die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle vorübergehend
unterbrochen ist, und dass „Zustand, in dem Leistung erzeugt wird” bzw. „Leistungserzeugungszustand” einen
Zustand bezeichnet, in dem die Brennstoffzelle fortgesetzt Leistung
erzeugt.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann es sich bei dem
Brennstoffzellensystem um ein Brenngassystem mit einem Umwälzpumpe
zum Umwälzen von Abgas, das aus der Brennstoffzelle abgeführt
wird, handeln. In diesem Fall kann es sich bei der Steuervorrichtung
um eine Steuervorrichtung handeln, die, nachdem die Brennstoffzelle
aus dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung unterbrochen ist,
in den Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, übergegangen
ist, die Öffnungs- und Schließungsbetätigung
des variablen Druckregulierungsventils so steuert, dass der Druck
des Brenngases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, bei einem
Wert gehalten wird, der über dem vorgegebenen Bezugswert
liegt, bis das Gasamtvolumen an Gas im Brenngassystem anhand der
Umwälzpumpe ausgetauscht ist.
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Mit
dem oben beschriebenen Aufbau kann nach Übergang der Brennstoffzelle
aus dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, in
den Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, der Druck des Brenngases,
das zur Brennstoffzelle geliefert wird, auf einem relativ hohen
Pegel (einem Wert, der über dem vorgegebenen Bezugswert
liegt) gehalten werden, bis das Gesamtvolumen des Gases im Brenngassystem
mittels der Umwälzpumpe ausgetauscht ist (anders ausgedrückt,
bis die Verunreinigungen vollständig abgeführt
sind). Somit können die Verunreinigungen, die sich während
des Zustands, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist, angesammelt
haben, schnell und vollständig abgeführt werden,
und infolgedessen kann der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle
weiter stabilisiert werden.
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Ebenso
kann es sich in dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem bei
dem variablen Druckregulierungsventil um einen Injektor handeln.
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Ein
Injektor ist ein elektromagnetisch angesteuertes Ein/Aus-Ventil,
das in der Lage ist, einen Gaszustand (eine Gasströmungsrate
oder einen Gasdruck) durch direktes Ansteuern des Ventilkörpers
mit einer elektromagnetischen Antriebskraft in einem vorgegebenen
Antriebstakt zu regeln, um den Körper vom Ventilsitz zu
trennen. Der Ventilkörper des Injektors wird von einer
vorgegebenen Steuereinheit so angesteuert, dass Zeitpunkt und Dauer
der Brenngaseinspritzung und infolgedessen auch die Strömungsrate
des Brenngases mit hoher Genauigkeit gesteuert werden können.
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Die
vorliegende Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem schaffen,
das einen stabilen Leistungserzeugungszustand einer Brennstoffzelle
erreichen kann, nachdem die Brennstoffzelle aus einem Aussetzbetrieb
in einen Normalbetrieb zurückgekehrt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Aufbauskizze eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Ablaufschema, das ein Steuerverfahren für das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem erläutert.
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3A ist
ein Zeitschema, das ein Steuerverfahren für das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem erklärt und das den zeitlichen Verlauf
eines Aussetzbetriebs darstellt.
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3B ist
ein Zeitschema, das ein Steuerverfahren für das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem erklärt und das den zeitlichen Ablauf
eines Verunreinigungs-Partialdrucks in einem Wasserstoffgassystem
darstellt.
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3C ist
ein Zeitschema, das ein Steuerverfahren für das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem erklärt und das den zeitlichen Ablauf
eines Wasserstoffdruck-Regulierungsventil darstellt.
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3D ist
ein Zeitschema, das ein Steuerverfahren für das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem erklärt und das den zeitlichen Verlauf
eines Spülbetriebs darstellt.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Im
Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf
die Zeichnung beschrieben. Diese Ausführungsform erläutert
den Fall, dass die vorliegende Erfindung in einem Onboard-Leistungserzeugungssystem
eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs (eines mobilen Objekts) verwendet
wird.
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Unter
Bezug auf 1 wird zunächst der Aufbau
eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß dieser
Ausführungsform eine Brennstoffzelle 2 auf, die
mit Reaktionsgasen (Oxidierungsgas und Brenngas) beliefert wird,
und die elektrische Leistung erzeugt. Die Brennstoffzelle 2 ist
mit einem Oxidierungsgassystem 3 für die Zufuhr
von Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 und für
die Abfuhr von Oxidierungsabgas aus der Brennstoffzelle 2 versehen,
ebenso wie mit einem Brenngassystem 4 für die
Zufuhr von Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 2 und
zum Umwälzen von Wasserstoff-Abgas, bei dem es sich um Brennstoff-Abgas
handelt, sowie von Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 2.
Das Brenngassystem 4 weist ein Abgasabfuhr-/Entwässerungsventil 29 auf,
das in der Lage ist, Wasserstoff-Abgas aus dem Brenngassystem auszuführen.
Das Wasserstoffabgas, das aus dem Abgasabfuhr-/Entwässerungssystem 29 abgeführt
wird, wird in einem Verdünner 5 mit Oxidierungsabgas
(Luft), das aus dem Oxidierungsgassystem 3 abgeführt
wird, gemischt und nach außen abgeführt. Eine
Steuereinheit 6 führt eine Gesamtsteuerung des
gesamten Systems aus.
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Die
Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise als Brennstoffzelle
mit Festpolymerelektrolyt ausgelegt und weist eine Stapelstruktur
aus einer Anzahl von übereinander gelegten Einheitszellen
auf. Die Einheitszelle der Brennstoffzelle 2 weist auf:
eine Luftelektrode (Kathode) auf einer Oberfläche der Festpolymerelektrolyt-Membran;
eine Brennstoffelektrode (Anode) auf der anderen Oberfläche;
und ein Paar Separatoren, die so angeordnet sind, dass zwischen ihnen
die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode angeordnet sind. Die
Brennstoffzelle 2 erzeugt Leistung, wenn Brenngas in den
Strömungsweg des anodenseitigen Separators geliefert wird
und Oxidierungsgas in den Strömungsweg des kathodenseitigen
Separators geliefert wird.
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Das
Oxidierungsgassystem 3 weist einen Luft-Zufuhrweg 11,
auf dem das Oxidierungsgas, das zur Brennstoffzelle 2 geliefert
werden soll, strömt, und einen Abgas-Strömungsweg 12,
auf dem das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführte
Oxidierungsabgas strömt, auf. Der Luft-Zufuhrweg 11 weist
einen Kompressor 14, der Oxidierungsgas ansaugt, und einen
Befeuchter 15 auf, der verdichtetes Oxidierungsgas, das
vom Kompressor 14 geschickt wird, befeuchtet. Der Abgas-Strömungsweg 12 weist
ein Gegendruck-Regulierungsventil 16 auf und ist mit dem Befeuchter 15 verbunden.
Das Oxidierungsabgas, das auf dem Abgas-Strömungsweg 12 strömt,
geht durch das Gegendruck-Regulierungsventil 16 hindurch
zum Befeuchter 15, wo das Oxidierungsabgas einem Feuchtigkeitsaustausch
unterzogen wird, und wird dann zum Verdünner 5 überführt.
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Das
Brenngassystem 4 weist auf: einen Wasserstofftank 21,
der unter hohem Druck stehendes Wasserstoffgas enthält
und der als Brennstoffquelle dient; einen Wasserstoff-Zufuhrweg 22,
der als Brenngas-Zufuhrweg für die Lieferung von Brenngas aus
dem Wasserstofftank 21 zur Brennstoffzelle 2 dient;
und einen Umwälzweg 23, um das Wasserstoff-Abgas,
das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt wird,
zurück zum Wasserstoff-Zufuhrweg 22 zu führen.
Man beachte, dass anstelle des Wasserstofftanks 21 auch
ein Reformer, der aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoff-Basis
ein wasserstoffreiches reformiertes Gas erzeugt, und ein Hochdruck-Gastank,
in dem das von diesem Reformer erzeugte reformierte Gas unter hohem
Druck gespeichert wird, als Brennstoffquelle verwendet werden können.
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Alternativ
dazu kann auch ein Tank mit einer Wasserstoff absorbierenden Legierung
als Brennstoffquelle verwendet werden.
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Der
Wasserstoff-Zufuhrweg 22 ist mit einem Sperrventil 24,
das die Zufuhr von Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 21 zulässt
oder blockiert, einem Regler 25, der den Druck des Wasserstoffgases
regelt, und einem Injektor 26 versehen. Ebenso ist ein
Drucksensor 27, der den Druck des Wasserstoffgases im Wasserstoff-Zufuhrweg 22 erfasst, stromabwärts
vom Injektor 26 und stromaufwärts von der Stelle,
wo sich der Wasserstoff-Zufuhrweg 22 und der Umwälzweg 23 vereinigen,
vorgesehen. Informationen über den Druck des Wasserstoffgases,
der vom Drucksensor 27 erfasst wird, werden zur Steuereinheit 6 übertragen
und für die Steuerung eines Wasserstoff-Umwälzsystems
verwendet.
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Der
Regler 25 ist eine Einrichtung, die den stromaufwärtigen
Druck (Primärdruck) auf einem vorgegebenen Sekundärdruck
regelt. In dieser Ausführungsform wird ein mechanisches
Druckentlastungsventil, das den Primärdruck senkt, als
Regler 25 verwendet. Was den Aufbau des mechanischen Druckentlastungsventils
betrifft, so kann ein bekannter Aufbau verwendet werden, bei dem
das Ventil ein Gehäuse, in dem eine Gegendruckkammer und
eine Druckregulierungskammer, durch eine Membran voneinander getrennt,
ausgebildet sind, und in dem das Ventil in der Druckregulierungskammer
den Primärdruck unter Nutzung des Gegendrucks in der Gegendruckkammer
auf einen vorgegebenen Druck senkt, bei dem es sich um einen Sekundärdruck
handelt.
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Der
Injektor 26 ist ein elektromagnetisch angesteuertes Ein/Aus-Ventil,
das eine Gasströmungsrate oder einen Gasdruck durch direktes
Ansteuern des Ventilkörpers mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft in einem vorgegebenen Ansteuerungstakt und durch seine
Trennung von einem Ventilsitz regeln kann. Wie in 1 dargestellt,
ist der Injektor 26 dieser Ausführungsform stromaufwärts
von der Stelle, wo sich der Wasserstoff-Zufuhrweg 22 und
der Umwälzweg 23 vereinigen, vorgesehen. Der Injektor 26 weist
einen Ventilsitz mit einer Einspritzöffnung zum Einspritzen
von gasförmigem Brennstoff, wie Wasserstoffgas, auf, und
der Injektor 26 weist außerdem einen Düsenkörper
für die Zufuhr und Leitung des gasförmigen Brennstoffs
zur Einspritzöffnung und einen Ventilkörper auf,
der derart in dem Düsenkörper vorgesehen ist,
dass er sich in der axialen Richtung des Düsenkörpers
(der Gasströmungsrichtung) bewegen kann, um die Einspritzöffnung
zu öffnen und zu schließen. In dieser Ausführungsform wird
der Ventilkörper des Injektors 26 von einem Solenoid,
bei dem es sich um eine elektromagnetische Antriebseinrichtung handelt,
angesteuert. Durch die Ausführung einer Ein/Aus-Steuerung
des gepulsten Erregerstroms, der dem Solenoid zugeführt
wird, und durch das daraus resultierende Ansteuern des Ventilkörpers
kann der Öffnungsquerschnitt der Einspritzöffnung
in zwei oder mehr Stufen verändert werden. Dauer und Zeitpunkt
der Gaseinspritzung vom Injektor 26 werden durch Steuersignale,
die von der Steuereinheit 6 ausgegeben werden, gesteuert.
Mit dem oben beschriebenen Aufbau können die Strömungsrate
und der Druck des Wasserstoffs mit hoher Genauigkeit gesteuert werden.
Da der Injektor 26 das Ventil (den Ventilsitz und den Ventilkörper)
mit einer elektromagnetischen Antriebskraft ansteuert und den Ansteuerungstakt
des Ventils auf einen Pegel mit hoher Ansprechempfindlichkeit steuern
kann, weist der Injektor eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf.
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Der
Injektor 26 regelt die Strömungsrate des Gases
(oder die Molkonzentration von Wasserstoff), das stromabwärts
(zur Seite der Brennstoffzelle 2) geliefert werden soll.
Genauer ändert der Injektor 26 den Öffnungsquerschnitt
(Öffnungsgrad) des Ventils, das im Gasströmungsweg
des Injektors 26 vorgesehen ist, oder die Öffnungsdauer
des Ventils oder beides, um eine benötigte Strömungsrate
des Gases stromabwärts zu liefern. Durch Öffnen
und Schließen des Ventils des Injektors 26 wird
die Gasströmungsrate geregelt und der Druck des Gases,
das stromabwärts vom Injektor 26 geliefert werden
soll, wird in Bezug auf den Gasdruck stromaufwärts vom
Injektor 26 gesenkt, und somit kann der Injektor 26 als
Druckregulierungsventil (Druckentlastungsventil, Regler) betrachtet
werden. Ferner dient in dieser Ausführungsform der Injektor 26 auch
als variables Druckregulierungsventil, das den Umfang einer Drucksteuerung
(Drucksenkung) des stromaufwärtsseitigen Gasdrucks innerhalb
eines vorgegebenen Druckbereichs abhängig vom Gasbedarf ändern
kann, um auf den benötigten Druck zu kommen.
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Der
Umwälzweg 23 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 28 und
ein Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 29 mit einem
Abgas-Strömungsweg 30 verbunden. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 28 nimmt Wasser
aus dem Wasserstoff-Abgas auf. Das Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 29 arbeitet
ansprechend auf die Befehle von der Steuereinheit 6 und führt
(spült) das Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 28 aufgenommen
wurde, und das Verunreinigungen enthaltende Wasserstoff-Abgas (Brennstoff-Abgas)
im Umwälzweg 23 nach außen ab, und das
Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 29 dient als Ausführungsform
des Spülventils gemäß der vorliegenden
Erfindung. Infolge des oben beschriebenen Spülens wird
die Menge an Verunreinigungen (der Verunreinigungs-Partialdruck
und die Verunreinigungskonzentration) gesenkt, und die Konzentration
des Wasserstoffgases, das zur Brennstoffzelle 2 geliefert
werden soll, wird erhöht. Hierin bedeutet Verunreinigungs-Partialdruck
die Summe der Partialdrücke von Gasen, bei denen es sich
nicht um Wasserstoffgas handelt, z. B. Stickstoffgas, das in dem
Wasserstoffgas, das vom Wasserstofftank 21 geliefert wird,
enthalten ist, Stickstoffgas, das vom Oxidierungsgassystem 3 zum
Brenngassystem 4 geliefert wird und das die Festpolymerelektrolyt-Membran
passiert, Wasserdampf, der aus der Leistungserzeugung durch die
Brennstoffzelle 2 entsteht, und dergleichen. Ebenso ist
der Umwälzweg 23 mit einer Umwälzpumpe 31 versehen,
die das Wasserstoff-Abgas im Umwälzweg 23 verdichtet
und zum Wasserstoff-Zufuhrweg 22 schickt. Man beachte,
dass das Wasserstoff-Abgas, das durch das Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 29 und
den Abgas-Strömungsweg 30 abgeführt wird,
sich im Verdünner 5 mit dem Oxidierungsabgas im
Abgas-Strömungsweg 12 vereinigt und dort verdünnt
wird.
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Die
Steuereinheit 6 erfasst einen Verstellweg bzw. Manipulierungsumfang
eines Beschleunigungselements (z. B. eines Gaspedals), das in dem
Fahrzeug vorgesehen ist, empfangt Steuerinformationen, wie den erforderlichen
Beschleunigungsgrad (beispielsweise eine zu erzeugende Leistungsmenge, die
von einem Verbraucher, wie einem Fahrmotor benötigt wird),
und steuert den Betrieb verschiedener Einrichtungen in dem System.
Man beachte, dass der Ausdruck Verbraucher hierin als allgemeine
Bezeichnung für Leistung verbrauchende Einrichtungen verwendet
wird, zu denen neben dem Fahrmotor auch Hilfseinrichtungen, die
für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 nötig
sind (z. B. Motoren für den Kompressor 14 und
die Umwälzpumpe 31), Stellglieder, die in verschiedenen
Einrichtungen verwendet werden, die mit dem Antrieb eines Fahrzeugs
zu tun haben (Getriebe, Radsteuerung, Lenkeinrichtung, Aufhängung usw.),
und eine Klimatisierungseinrichtung (Klimaanlage), eine Beleuchtungseinrichtung,
ein Audiosystem usw. für den Insassenraum gehören.
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Die
Steuereinheit 6 besteht aus einem Computersystem, das in
der Zeichnung nicht dargestellt ist. Das Computersystem weist eine
CPU, einen ROM, einen RAM, eine HDD, eine I/O-Schnittstelle, eine
Anzeige usw. auf. Die CPU liest verschiedene Steuerprogramme, die
im ROM hinterlegt sind, und führt verschiedene Berechnungen
durch, und als Ergebnis führt das Computersystem verschiedenartige Verarbeitungen
und Steuerungen aus, einschließlich einer noch zu beschreibenden
Spülsteuerung.
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Genauer
führt die Steuereinheit 6 ein Schalten zwischen
einem normalen Betriebsmodus und einem Aussetzbetriebsmodus durch.
Normaler Betriebsmodus bedeutet einen Betriebsmodus, in dem die
Brennstoffzelle 2 fortgesetzt Leistung erzeugt, um Leistung
zu den Verbrauchern, wie dem Fahrmotor, zu liefern. Aussetzbetriebsmodus
bedeutet einen Betriebsmodus, in dem während eines Niederlastbetriebs,
wie im Leerlauf, beim Fahren mit niedriger Geschwindigkeit und beim
regenerativen Bremsen, die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 2 vorübergehend
unterbrochen ist, die Verbraucher mit Leistung von einer Leistungsspeichereinrichtung,
wie einer Batterie und einem Kondensator, beliefert werden und die
Brennstoffzelle 2 intermittierend mit Wasserstoffgas und
Luft beliefert wird, so dass die Brennstoffzelle 2 eine
Leerlaufspannung aufrechterhalten kann. Der Normalbetriebsmodus
entspricht einem Leistungserzeugungszustand der vorliegenden Erfindung,
und der Aussetzbetriebsmodus entspricht einem Zustand, in dem die
Leistungserzeugung ausgesetzt ist, der vorliegenden Erfindung.
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Die
Steuereinheit 6 schätzt außerdem eine Zunahme
der Menge der Verunreinigungen im Brenngassystem 4, während
das Brenngas 2 einer Aussetzbehandlung unterzogen wird.
Falls die geschätzte Erhöhung der Verunreinigungsmenge
eine vorgegebene Menge überschreitet, steuert die Steuereinheit 6 nach
dem Übergang der Brennstoffzelle 2 aus einem Aussetzbetriebsmodus
in einen Normalbetriebsmodus die Öffnungs-/Schließungsbetätigung des
Injektors 26, um den Druck des Wasserstoffgases, das zur
Brennstoffzelle 2 geliefert wird, zu erhöhen.
Bei dieser Steuerung hält die Steuereinheit 6 nach Übergang
der Brennstoffzelle 2 aus einem Aussetzbetriebsmodus in
einen Normalbetriebsmodus den erhöhten Wasserstoffgasdruck
aufrecht, bis das Gesamtvolumen an Gas im Brenngassystem 4 mittels
der Umwälzpumpe 31 ausgetauscht ist. Anders ausgedrückt
dient die Steuereinheit 6 als Steuervorrichtung der vorliegenden
Erfindung.
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Nun
wird unter Bezug auf das in 2 dargestellte
Ablaufschema und die Zeitschemata, die in 3 dargestellt
sind, das Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dieser
Ausführungsform beschrieben.
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Die
Steuereinheit 6 setzt bei ihrer Aktivierung usw. Systembedingungen
auf Basis des Aufbaus der Brennstoffzelle 2 fest. Beispiele
für die Systembedingungen sind: eine wirksame Fläche
der Festpolymerelektrolyt-Membran, die durch Multiplizieren der
wirksamen Fläche der Festpolymerelektrolyt-Membran jeder
einzelnen Einheitszelle in der Brennstoffzelle 2 mit der
Zahl der Einheitszellen erhalten wird; und die Stickstoffgasdurchlässigkeit
pro Flächeneinheit der Festpolymerelektrolyt-Membran. Nach
der Aktivierung führt die Steuereinheit 6 eine
Steuerung durch, um einen normalen Betriebsmodus zu erreichen (Normalbetriebs-Steuerschritt:
S1).
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Im
Normalbetriebs-Steuerschritt S1 reguliert die Steuereinheit 6 das
Oxidierungsgas und das Wasserstoffgas durch Steuern verschiedener
Einrichtungen so, dass von der Brennstoffzelle 2 eine erforderliche
Menge an Leistung erzeugt wird. Die Regulierung des Oxidierungsgases
wird beispielsweise durch Steuern der Drehzahl des Kompressors 14 im Oxidierungsgassystem 3 und
durch Regeln des Gegendrucks des Oxidierungsabgases, das aus dem Brennstoffzelle 2 ausgeführt
wird, ermöglicht. Die Regulierung des Wasserstoffgases
wird beispielsweise durch Steuern des Sperrventils 24 und
des Injektors 26 im Brenngassystem 4, Steuern
der Drehfrequenz der Umwälzpumpe 31 und Steuern
des Gasabfuhr-/Entwässerungsventils 29 ermöglicht.
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Danach
bestimmt die Steuereinheit 6, ob eine Bedingung zum Umschalten
des Betriebsmodus der Brennstoffzelle 2 aus einem Normalbetriebsmodus
in einen Aussetzbetriebsmodus (eine Betriebsumschaltbedingung) erfüllt
ist oder nicht (Aussetzbetriebsstart-Bestimmungsschritt S2). Als
Betriebsumschaltbedingung kann beispielsweise der Zustand verwendet
werden, in dem die benötigte Leistungsmenge oder die Menge
der erzeugten Leistung, die zeitabhängig variiert, unter
einen vorgegebenen Schwellenwert sinkt. Falls die Steuereinheit 6 im
Aussetzbetriebsstart-Bestimmungsschritt S6 bestimmt, dass die Betriebsumschaltbedingung
erfüllt ist, schaltet die Steuereinheit 6 den
Betriebsmodus der Brennstoffzelle 2 aus einem Normalbetriebsmodus
in einen Aussetzbetriebsmodus um, wie in 3A dargestellt
(Aussetzbetriebs-Steuerschritt: S3). Im Aussetzbetriebs-Steuerschritt
S3 unterbricht die Steuereinheit 6 die Leistungserzeugung
durch die Brennstoffzelle 2 vorübergehend, versorgt
die Verbraucher mit Leistung aus einer Leistungsspeichereinrichtung
und versorgt die Brennstoffzelle 2 intermittierend mit
Wasserstoffgas und Luft, so dass die Brennstoffzelle 2 eine
Leerlaufspannung aufrechterhalten kann.
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Wenn
der Aussetzbetriebsmodus ausgführt wird und die Leistungserzeugung
durch die Brennstoffzelle 2 vorübergehend unterbrochen
ist, nimmt die Menge der Verunreinigungen im Brenngassystem 4 im
Lauf der Zeit zu. Beispielsweise gelangt abhängig von der
Stickstoffdurchlässigkeit der Festpolymerelektrolyt-Membran
in der Brennstoffzelle 2 Stickstoffgas, das aus der verbliebenen
Luft im Oxidierungsgassystem stammt, in das Brennstoffzellensystem 4 und
erhöht dort den Stickstoffgas-Partialdruck. Somit schätzt
die Steuereinheit 6 eine Zunahme der Menge an Verunreinigungen
im Brenngassystem 4 während des Aussetzbetriebs,
und falls die geschätzte Zunahme der Verunreinigungsmenge
eine vorgegebene Menge überschreitet, erhöht die
Steuereinheit 6 einen Wasserstoffdruck-Regulierungswert
(einen Ziel-Druckwert des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt
werden soll), der am Ende des Aussetzbetriebsmodus verwendet werden soll.
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In
dieser Ausführungsform schätzt die Steuereinheit 6,
wie in 3B dargestellt, eine Zunahme ΔP
des Verunreinigungs-Partialdrucks im Brenngassystem 4 während
des Aussetzbetriebs (Verunreinigungszunahme-Schätzschritt:
S4). Verunreinigungs- Partialdruck bezeichnet den Partialdruck aller Gase
im Brenngassystem 4 abgesehen vom Wasserstoffgas, und er
kann hauptsächlich auf der Basis eines Stickstoffgas-Partialdrucks
und eines Wasserdampf-Partialdrucks geschätzt werden. Der
Stickstoffgas-Partialdruck kann hauptsächlich aus der Menge
an Stickstoff, der im Wasserstoffgas enthalten ist, das vom Wasserstofftank 21 geliefert
wird, und der Menge an Stickstoff, der von der Kathodenseite zur
Anodenseite durchdringt, geschätzt werden. Der Wasserdampf-Partialdruck
kann aus dem geschätzten Wasserdampfdruck bei der Temperatur
der Brennstoffzelle 2 geschätzt werden.
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Als
nächstes bestimmt die Steuereinheit 6, ob die
Zunahme ΔP des Verunreinigungs-Partialdrucks, der im Verunreinigungszunahme-Schätzschritt
S4 geschätzt wird, einen vorgegebenen Wert überschreitet
oder nicht (Verunreinigungszunahme-Schätzschritt: S5).
Falls die Steuereinheit 6 im Verunreinigungszunahme-Schätzschritt
S5 bestimmt, dass die Zunahme ΔP des Verunreinigungs-Partialdrucks
den vorgegebenen Wert überschreitet, setzt die Steuereinheit 6 den
Wasserstoffdruck-Regulierungswert, der am Ende des Aussetzbetriebsmodus
verwendet werden soll, auf einen Wert (einen erhöhten Wert
P1), der über einem normalen Wert (einem vorgegebenen Bezugswert)
P0 liegt, wie in 3C dargestellt
(Schritt zum Festsetzen des Wasserstoffdruck-Regulierungswerts:
S6). In dieser Ausführungsform wird der erhöhte
Wert P1 welcher der geschätzten
Zunahme ΔP des Verunreinigungs-Partialdrucks entspricht,
unter Verwendung eines vorgegebenen Kennfelds gesetzt.
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Im
Anschluss an den Schritt S6 zum Festsetzen des Wasserstoffdruck-Regulierungswerts
bestimmt die Steuereinheit 6, ob die Zeit für
einen Aussetzbetrieb abgelaufen ist oder nicht (Aussetzbetriebsende-Bestimmungsschritt:
S7), und wenn die Steuereinheit 6 bestimmt, dass die Zeit
für den Aussetzbetrieb abgelaufen ist, beendet die Steuereinheit 6 den
Aussetzbetriebsmodus und geht in den normalen Betriebsmodus über,
wie in 3A dargestellt (Normalbetriebs-Neustartschritt:
S8). Danach öffnet die Steuereinheit 6, wie in 3D dargestellt,
das Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 28, um das
Verunreinigungen enthaltende Gas, das im Brenngassystem 4 zurückgeblieben
ist, abzuführen (auszuspülen), und steuert den
Injektor 26 so, dass der vom Drucksensor 27 erfasste
Wasserstoffgas-Druckwert dem Wasserstoffdruck-Regulierungswert (dem
erhöhten Wert P1), der im Schritt
S6 zum Festsetzen des Wasserstoffdruck-Regulierungswerts S6 gesetzt wurde,
gleich wird (Spül- und Druckerhöhungs-Steuerschritt:
S9).
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Im
Spül- und Druckerhöhungs-Steuerschritt S9 hält
die Steuereinheit 6 ab unmittelbar nach dem Ende des Aussetzbetriebsmodus,
und solange bis eine bestimmte Zeitspanne T vergangen ist (ab unmittelbar
nach dem Ende des Aussetzbetriebsmodus bis zum Austausch des gesamten
Gasvolumens im Brenngassystem 4 mittels der Umwälzpumpe 31), den
Wasserstoffgasdruck bei dem erhöhten Wert P1, wie
in 3C dargestellt. Nach Ablauf der bestimmten Zeitspanne
T steuert die Steuereinheit 6 den Injektor 26,
um den Wasserstoffgasdruck auf den normalen Wert P0 zurückzubringen.
Man beachte, dass das Wasserstoff-Abgas, das infolge einer Spülung abgeführt
wird, im Verdünner 5 unter Verwendung des Oxidationsabgases
verdünnt wird. Danach setzt die Steuereinheit 6 das
Spülen fort, bis eine vorgegebene Spülbedingung
(insbesondere Spülzeit) erfüllt ist, und wenn
die Spülbedingung erfüllt ist, unterbricht die
Steuereinheit 6 das Spülen und beendet den Steuerungsablauf
insgesamt.
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Falls
dagegen die Steuereinheit 6 im Verunreinigungszunahme-Bestimmungsschritt
S5 bestimmt, dass die Zunahme ΔP des Verunreinigungs-Partialdrucks
bei oder unter dem vorgegebenen Wert liegt, bestimmt die Steuereinheit 6,
ob die Zeit für den Aussetzbetrieb abgelaufen ist oder
nicht (Aussetzbetriebsende-Bestimmungsschritt: S10), indem sie den
Wasserstoffdruck-Regulierungswert, der am Ende des Aussetzbetriebsmodus
verwendet werden soll, auf dem normalen Wert (dem vorgegebenen Bezugswert)
P0 hält. Falls die Steuereinheit 6 bestimmt,
dass die Zeit für den Aussetzbetrieb abgelaufen ist, beendet
die Steuereinheit 6 den Aussetzbetriebsmodus und geht zum
normalen Betriebsmodus über (Normalbetriebs-Neustartschritt:
S11). Danach führt die Steuereinheit eine Spülung
und eine Normaldrucksteuerung durch (Spül- und Normaldrucksteuerungs-Schritt:
S12).
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Falls
die Menge der Verunreinigungen im Brenngassystem 4 während
eines Aussetzbetriebsmodus über eine vorgegebene Menge
steigt, kann in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
oben beschriebenen Ausführungsform der Druck des Wasserstoffgases,
das zugeführt wird, nachdem der Aussetzbetriebsmodus in
einen normalen Normalbetriebsmodus übergegangen ist, auf
einen relativ hohen Druckwert P1 gesetzt
werden, der höher ist als der vorgegebene Bezugswert P0). Demgemäß kann der Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzelle 2 nach Übergang eines Aussetzbetriebsmodus
in einen Normalbetriebsmodus selbst dann stabilisiert werden, wenn
es relativ lang dauert, bis die Verunreinigungen im Brenngassystem 4 abgeführt
sind.
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Ebenso
kann in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der
oben beschriebenen Ausführungsform der Druck des Wasserstoffgases,
das der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, ab unmittelbar
nach dem Ende eines Aussetzbetriebsmodus solange bis das gesamte
Gasvolumen im Brenngassystem 4 mittels der Umwälzpumpe 31 ausgetauscht
ist (anders ausgedrückt, bis sämtliche Verunreinigungen
abgeführt sind), auf einem relativ hohen Wert gehalten
werden (einem Wert P1, der höher
ist als der vorgegebene Bezugswert P0).
Somit können die Verunreinigungen, die sich während
des Aussetzbetriebs ansammeln, schnell und vollständig
abgeführt werden, und infolgedessen kann der Leistungserzeugungszustand
der Brennstoffzelle 2 weiter stabilisiert werden.
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Zwar
erläutert die obige Ausführungsform den Fall,
dass das Gasabfuhr-/Entwässerungsventil 29, das
sowohl eine Gasabfuhr als auch eine Entwässerung ermöglicht,
als Spülventil im Umwälzweg vorgesehen ist, aber
es können auch ein Entwässerungsventil zum Ausführen
von Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 28 gewonnen
wird, und ein Gasabfuhrventil (Spülventil) zum Ausführen
von Gas im Umwälzweg 23 vorgesehen werden, und
die Steuereinheit 6 kann das Gasabfuhrventil steuern.
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Zwar
erläutert die obige Ausführungsform den Fall,
dass ein „Verunreinigungs-Partialdruck” für die
Menge der Verunreinigungen im Brenngassystem 4 verwendet
wird, aber es können auch andere physikalische Werte (z.
B. eine „Verunreinigungskonzentration”) verwendet
werden. Wenn eine „Verunreinigungskonzentration” für
die Menge der Verunreinigungen verwendet wird, schätzt
die Steuereinheit eine Zunahme der „Verunreinigungskonzentration” im
Brenngassystem 4 während des Aussetzbetriebs, und
falls die geschätzte Zunahme der Verunreinigungskonzentration
eine vorgegebene Menge überschreitet, erhöht die
Steuereinheit den Wasserstoff-Regulierungswert, der am Ende des
Aussetzbetriebsmodus verwendet werden soll.
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Zwar
erläutert die obige Ausführungsform den Fall,
dass ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet
ist, aber außer dem Brennstoffzellen-Fahrzeug können
verschiedene Objekte (Roboter, Schiffe, Flugzeuge usw.) ebenso mit
dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet sein. Ferner kann das Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso in stationären
Leistungserzeugungssystemen als Leistungserzeugungsanlage in Gebäuden (Wohnhäusern,
Gewerbebauten usw.) verwendet werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann einen stabilen Leistungserzeugungszustand einer Brennstoffzelle
nach Rückkehr der Brennstoffzelle von einem Aussetzbetrieb
zu einem Normalbetrieb erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das einen stabilen Leistungserzeugungszustand einer
Brennstoffzelle erreichen kann, nachdem die Brennstoffzelle von
einem Aussetzbetrieb in einen Normalbetrieb zurückgekehrt
ist. Das Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle,
ein Brenngassystem mit einem Brenngas-Zufuhrweg, auf dem Brenngas,
das von einer Brennstoffquelle geliefert wird, zur Brennstoffzelle
strömt; ein variables Druckregulierungsventil, das den
Druck eines Gases, das auf dem Brenngas-Zufuhrweg strömt,
variabel regelt; und ein Spülventil, das Abgas aus dem
Brennstoffzellensystem abführt, wobei das Brennstoffzellensystem
Verunreinigungen im Brenngassystem durch das Spülventil
nach außen abführt, nachdem die Brennstoffzelle
aus einem Zustand, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt ist,
in einen Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, übergegangen
ist. Das Brennstoffzellensystem weist eine Steuereinrichtung auf, die
eine Öffnungs- und Schießungsbetätigung
des variablen Druckregulierungsventils so steuert, dass der Druck
des Brenngases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, über
einen vorgegebenen Bezugswert steigt, falls nach dem Übergang
der Brennstoffzelle aus dem Zustand, in dem die Leistungserzeugung ausgesetzt
ist, in den Zustand, in dem Leistung erzeugt wird, eine Menge an
Verunreinigungen im Brenngassystem über eine vorgegebene
Menge steigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-26843 [0003, 0004]