DE10107127A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren

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Abstract

In einem Brennstoffzellensystem und einem Verfahren zum Steuern desselben ist ein Brennstoffzellenpaket an seiner stromabwärtigen Seite mit einem Wasserstoffsteuerventil und einer Wasserstoffansaugpumpe verbunden. Eine Steuereinheit steuert die Wasserstoffansaugpumpe solcher Art, dass die Wasserstoffansaugleistung auf einen Pegel erhöht wird, der größer ist als der, der für eine normale Arbeitsweise erforderlich ist und steuert das Wasserstoffsteuerventil solcher Art, dass der Öffnungsgrad verringert wird. Danach steuert die Steuereinheit das Wasserstoffsteuerventil solcher Art, dass der Öffnungsgrad vergrößert wird, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket zu spülen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben, und bezieht sich insbesondere auf ein Festpolymerelektrolyt- Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben.
Es wurde vorgeschlagen, eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verwenden, die eine Polymermembran als ein Elektrolyt verwendet. Die Festpolymerelektrolyt- Brennstoffzelle ist vorteilhaft gegenüber Brennstoffzellen, die ein flüssiges Elektrolyt verwenden dahingehend, dass das Elektrolyt nicht nach außen ausströmt, und dass sie als Energiequelle in Kraftfahrzeugen in hohem Maße erwartet wird. Bei der Festpoly­ merelektrolyt-Brennstoffzelle funktioniert die Polymermembran, die als Elektrolyt dient, nicht vollständig als Ionenleiter, außer wenn die Polymermembran mit Feuchtigkeit in einem bestimmten Ausmaß gesättigt ist. Um diese Situation zu überwinden, wurde vor­ geschlagen, Wasserstoffgas mit Feuchtigkeit einem Brennstoffzellenpaket zuzuführen, wie in der japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. H7-263010 offenbart ist.
In dem Fall, dass Feuchtigkeit der Polymermembran während der Arbeitsweise der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zugeführt wird, wird jedoch bewirkt, dass Feuch­ tigkeit in der Polymermembran in einer übermäßigen Menge verbleibt unter den Bedin­ gungen, dass die Brennstoffzelle mit einem geringen stöchiometrischen Verhältnis be­ trieben wird. Als ein Ergebnis verbleibt überschüssige Feuchtigkeit in der Brennstoffzel­ le, verringert die elektrische Leistungsabgabe, die durch bestimmte Brennstoffzellen erzeugt werden, mit einem daraus resultierenden Problem, das in der Arbeitsleistung der Brennstoffzelle begründet ist.
Um eine solche Situation zu überwinden ist es eine wirksame Praxis, sofort überschüs­ siges Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle, welches nicht darin reagiert, mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit abzulassen und die Feuchtigkeit mit überschüssi­ gem Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle zu spülen.
Bei einem Spülprozess der Feuchtigkeit ist es denkbar, den Betriebsdruck eines Brenn­ stoffzellenpaketes zu erhöhen zum augenblicklichen Erhöhen der Strömungsgeschwin­ digkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen ist. Es wird jedoch erwägt, eine augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffga­ ses zu erhöhen, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen ist, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket durch Erhöhen des Betriebsdrucks des Brennstoffzellenpa­ ketes zu entfernen, woraus ein Erhöhen eines elektrischen Leistungsverbrauches resul­ tiert, das für die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle unerwünscht ist, bei der die Ab­ sicht besteht, sie als Energiequelle für ein Kraftfahrzeug zu verwenden.
Auch wenn ein Steuersystem, das die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle steuert, so modifiziert wird, dass es eine Spülbehandlung der Feuchtigkeit ausführt, wird verur­ sacht, dass das Steuersystem im Aufbau kompliziert wird, und der gesamte Aufbau des Steuersystems wird großbauend mit einem daraus resultierenden Nachteil, der in der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle bewirkt wird, die als Energiequelle des Kraftfahr­ zeuges dient.
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich der oben beschriebenen Untersuchung gemacht, und hat ein Ziel, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben zu schaffen, das im Aufbau einfach ist und in der Lage ist, auf geeignete Weise eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer geeigneten Spülbehandlung von Feuchtigkeit zu betreiben, ohne dass ein beachtliches Anwachsen des elektrischen Leistungsverbrauchs bewirkt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem versehen mit: einem Po­ lymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket; einer Wasserstoffzuführungseinheit, die Wasser­ stoffgas dem Brennstoffzellenpaket zuführt; eine Luftzuführeinheit, die dem Brennstoff­ zellenpaket Luft zuführt; einer Wasserstoffansaugpumpe, die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes angeordnet ist und Wasserstoffgas von dem Brenn­ stoffzellenpaket absaugt; einem ersten Wasserstoffsteuerventil, das zwischen dem Brennstoffzellenpaket und der Wasserstoffansaugpumpe angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat; und einer Steuereinheit, die die Arbeitsweise des Brenn­ stoffzellensystems solcher Art steuert, dass, wenn die Steuereinheit unterscheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket mit einem übermäßigen Niveau verbleibt, die Steuereinheit die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe erhöht, den Öffnungs­ grad des ersten Wasserstoffsteuerventils verringert und darauffolgend das erste Was­ serstoffsteuerventil öffnet, während Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird.
Mit anderen Worten ist ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ausges­ tattet mit: einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket; einer Wasserstoffzuführungs­ einrichtung zum Zuführen von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket; einer Luft­ zuführungseinrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenpaket; einer Was­ serstoffansaugeinrichtung zum Ansaugen von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzel­ lenpaket; einer Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Öffnungsgrades bezüglich des Wasserstoffgases aus dem Brennstoffzellenpaket; einer Steuereinrichtung zum Steuern der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems solcher Art, dass, wenn die Steuerein­ richtung unterscheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket in einem über­ mäßigen Niveau verbleibt, die Steuereinrichtung die Ansaugleistung der Wasserstoffan­ saugeinrichtung erhöht, den Öffnungsgrad der Einstelleinrichtung verringert und dar­ auffolgend die Einstelleinrichtung öffnet, währenddessen Feuchtigkeit aus dem Brenn­ stoffzellenpaket gespült wird.
Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung steuert ein Brennstoffzellensystem, das ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket aufweist, eine Wasserstoffzuführungseinheit aufweist, die Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket zuführt, eine Luftzuführungseinheit aufweist, die dem Brennstoff­ zellenpaket Luft zuführt, eine Wasserstoffansaugpumpe aufweist, die an einer stromab­ wärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes angeordnet ist und Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket ansaugt, ein Wasserstoffsteuerventil aufweist, das zwischen dem Brennstoffzellenpaket und der Wasserstoffansaugpumpe angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat. Bei dem Verfahren wird die Arbeitsweise des Brennstoff­ zellensystems solcher Art gesteuert, dass, wenn unterschieden wird, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket in einem übermäßigen Niveau verbleibt, die Ansaugleis­ tung der Wasserstoffansaugpumpe erhöht wird, der Öffnungsgrad des ersten Wasser­ stoffsteuerventils verringert wird und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil geöffnet wird, währenddessen Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird.
Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen auf dem Beispielswege die Prinzipien der Erfindung darstellt. Darin zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 Zeitablaufdiagramme, die die Arbeitsweise eines Spülablaufs gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ein Blockdiagramm eine vierten Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der vierten Ausführungsform;
Fig. 8 ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 ein Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
Eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zum Steuem desselben in Übereinstimmung mit jeder der Ausführungsformen der vorliegenden Erfin­ dung wird nun im Einzelnen unter geeigneter Bezugnahme auf die beigefügten Zeich­ nungen gegeben.
Als erstes wird ein Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Steuern desselben gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unter Be­ zugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellen­ systems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
In der ersten Ausführungsform schließt das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzel­ lenpaket des Typs einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ein, die ein Polymerelektrolyt verwendet, schließt eine Wasserstoffzuführungseinheit 2 ein, die dem Brennstoffzellen­ paket 1 Wasserstoffgas als Brennstoff zuführt; schließt eine Luftzuführungseinheit 3 ein, die Luft durch einen Luftzuführdurchgang Pa1 dem Brennstoffzellenpaket 1 als Oxidati­ onsmittel zuführt, schließt eine Brennkammer 4 ein, die überschüssiges Wasserstoffgas verbrennt, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, und schließt eine Steuereinheit 5 ein, die verschiedene Teile des Brennstoffzellensystems steuert.
Die Wasserstoffzuführungseinheit 2 schließt einen Reformer 6 und einen CO-Ab­ scheider 7 ein. Der Reformer 6 formt Brennstoff, wie z. B. Methanol mit Dampf um, um ein Mischgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Das Kohlenmonoxid­ gas wird mit dem CO-Abscheider 7 entfernt, und reines Wasserstoffgas wird erzeugt. Das reine Wasserstoffgas, das aus dem CO-Abscheider 7 strömt, wird durch einen Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt. Kohlen­ monoxidgas, das aus dem CO-Abscheider 7 entfernt wird, wird zu der Brennkammer 4 geleitet. Es ist anzumerken, dass die Wasserstoffzuführungseinheit 2 durch einen Was­ serstofftank ersetzt werden kann. Auch kann der CO-Abscheider 7 durch eine Wasser­ stoffabtrennmembran ersetzt werden.
Der Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 zwischen der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und dem Brennstoffzellenpaket 1 hat ein Strömungssteuerventil 8, das die Strömungs­ geschwindigkeit des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird, regelt, und hat einen Befeuchter 9, der Wasserstoffgas, das aus dem Strömungssteuer­ ventil 8 strömt, befeuchtet. Demzufolge wird das Brennstoffzellenpaket 1 mit Wasser­ stoffgas versorgt, das mit dem Befeuchter 9 solcher Art befeuchtet ist, dass das Poly­ merelektrolyt des Brennstoffzellenpaketes 1 mit Feuchtigkeit versorgt wird, und das Polymerelektrolyt hat einen Ionenleiter. Es ist hierbei anzumerken, dass in dieser Aus­ führungsform, obwohl der Befeuchter 9 in dem Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 angeordnet ist, um Wasserstoffgas zu befeuchten, Wasserstoffgas auch durch andere Verfahren befeuchtet werden kann, z. B. durch Befeuchten von Wasserstoffgas oder Luft, um Feuchtigkeit dem Polymerelektrolyt mit Kühlwasser zuzuführen, das zum Küh­ len des Brennstoffzellenpaketes 1 verwendet wird.
Die Luftzuführungseinheit 3 kann auch einen Luftkompressor und einen Entionisie­ rungsfilter einschließen, solcher Art, dass Luft anfänglich mit dem Luftkompressor komp­ rimiert wird und darauffolgend entionisiert wird, um reine Luft zu erzeugen, die dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird.
Das Brennstoffzellenpaket 1 erzeugt eine Ausgangsspannung, welche durch ein Zellen­ spannungsüberwachungsgerät ermittelt wird, welches jede Zellenspannung in dem Brennstoffzellenpaket 1 überwacht, um ein Ermittlungssignal, das eine Zellenspannung repräsentiert, zu erzeugen. Das Brennstoffzellenpaket 1 wird mit dem Zellenspannungs­ überwachungsgerät 10 solcher Art überwacht, dass die Ausgangsspannung, die durch jede Zelle erzeugt wird, ermittelt wird, um den gesamten Ausgangsspannungszustand des Brennstoffzellenpaketes 1 zu jeder Zeit zu überwachen. Ein Stromstärkedetektor ED ist mit dem Brennstoffzellenpaket 1 verbunden, um eine Stromstärke, die dort hindurch­ fließt, zu detektieren.
Die Brennkammer (combustor) 4 ist an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzel­ lenpaketes 1 angeordnet. Das überschüssige Wasserstoffgas, das nicht in dem Brenn­ stoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht wurde, und überschüssige Luft, die nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht wurde, werden durch einen Was­ serstoffausströmdurchlass Ph2 und einen Luftausströmdurchlass Pa2 jeweils der Brennkammer 4 zugeführt. Überschüssiger Wasserstoff und überschüssige Luft werden in der Brennkammer 4 verbrennt, was Wärmeenergie erzeugt. Die Wärmeenergie wird dem Reformer 6 der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und anderen Vorrichtungen zuge­ führt, die die Wärmeenergie erfordern.
Ein Wasserstoffsteuerventil 11 ist in dem Wasserstoffausströmdurchlass Ph2 an einer Stelle zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher Art gesteuert, dass der Öffnungsgrad der Was­ serstoffsteuereinheit 11 geregelt wird. Eine Wasserstoffansaugpumpe (hydrogen draw pump) 12 ist auch in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher Art gesteuert, dass die Ansaugleistung des Wasser­ stoffs gesteuert wird. Das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 haben die Funktion, die Strömungsgeschwindigkeit und den Druck des Wasserstoff­ gases jeweils zu regulieren, das durch den Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 strömt. In der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 und die Ansaugleis­ tung der Wasserstoffansaugpumpe 12 durch die Steuereinheit 5 in einer Weise gesteu­ ert, die im Einzelnen später beschrieben wird, solcher Art, dass Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, mit einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit gespült wird.
Die Steuereinheit 5 schließt eine CPU, ein ROM und ein RAM usw. solcher Art ein, dass die CPU ein Steuerprogramm trägt, das in der ROM mit Hilfe der RAM gespeichert ist, um dadurch den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11, die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die anderen zugehörigen Teile zu steuern.
In einem solchen Brennstoffzellensystem, das oben erläutert wurde, werden Wasser­ stoffgas, das durch die Wasserstoffzuführungseinheit 2 erzeugt wurde und mit dem Be­ feuchter 9 befeuchtet wurde und Luft, die von der Luftzuführungseinheit 3 strömt dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt, welches eine elektrische Leistungsabgabe erzeugt. Überschüssiges Wasserstoffgas und überschüssige Luft werden in der Brennkammer 4 verbrannt, was die Wärmeenergie erzeugt. Wenn unter diesen Umständen das Brenn­ stoffzellenpaket mit einem niedrigen stöchiometrischen Verhältnis arbeitet, verbleibt eine übermäßige Menge an Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 und eine über­ schüssige Feuchtigkeit verbleibt in dem Brennstoffzellenpaket 1. Wenn die überschüssi­ ge Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 in einer übermäßigen Menge ver­ bleibt, wird ein Anteil elektrischer Leistungsabgabe, die durch das Brennstoffzellenpaket zu erzeugen ist, verringert. Um dieses Problem zu überwinden, schlägt die vorliegende Erfindung vor, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 solcher Art zu spülen, dass Produktwasser (product water) aus dem Brennstoffzellenpaket 1 entfernt wird.
Hierin wird ein Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit aus dem Brenn­ stoffzellenpaket 1 im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird beim Start, d. h., wenn der Spülablauf gestartet wird, ein Spannungsabfall in dem Brennstoffzellenpaket 1 durch das Zellenspannungsüberwa­ chungsgerät 10 in der Ausführungsstufe S1-1 ermittelt, das ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall repräsentiert. Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben. Die Steuereinheit 5 reagiert auf das Ausgangssignal, das den Zellenspannungsabfall repräsentiert und ermittelt, dass für das Brennstoffzellenpa­ ket 1 eine Spülung notwendig ist. Wenn dieses auftritt, funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass das Strömungssteuerventil 8 solcher Art gesteuert wird, dass das stöchiometri­ sche Verhältnis momentan abgesenkt wird, um das Brennstoffzellenpaket 1 zu schüt­ zen.
In der nächsten Stufe S1-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird, der größer als für einen normalen Betrieb erforderlich ist, um die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen. Als ein Ergebnis wird ein Abfall des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Seite einer Brennstoffelekt­ rode in einem Spülablauf beschränkt. In diesem Fall wird der Druck des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 geringfügig auf eine Größe abgesenkt, die der Erhöhung der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 ent­ spricht, wie in dem Zeitintervall t0 bis t1 in Fig. 3 zu sehen ist.
In der folgenden Stufe S1-3 entscheidet die Steuereinheit 5, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die erzeugt wird, nachdem die Betriebszeit der Wasserstoffansaug­ pumpe 12 erhöht ist, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung wiedererlangt ist aufgrund des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Seite der Brennstoffelektrode infolge des Ansteigens der Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Zellenspannung die Referenzspannung überschreitet, unterscheidet die Steuer­ einheit 5 in Stufe S1-4, dass eine Spülung unnötig ist, und funktioniert in Stufe S1-5 so, dass die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf einen ursprünglichen Leistungspegel zurückgesetzt wird. Da es in diesem Fall unnötig ist, das stöchiometri­ sche Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode wieder zu erhöhen, wenn die An­ saugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückge­ führt wird, modifiziert die Steuereinheit 5 einen Steuerzielwert in Stufe S1-6, solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Stufe S1-7 wird eine normale Arbeitsweise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
Wenn andererseits in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in der Stufe S1-3 ermittelt, dass die Zellenspannung, die erzeugt wird, nachdem die Betriebszeit der Wasserstoffansaug­ pumpe 12 erhöht wird, und um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger als die Referenzspannung ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass über­ schüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert in Stufe S1-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 sol­ cher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 erhöhte Druckverluste hat. Demzufolge wird der Druck am Punkt P2 in Fig. 1, d. h., der Druck an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 entlang einer Kurve P2 in Fig. 3 während eines Zeitinter­ valls zwischen t1 und t2 solcher Art abgesenkt, dass eine Niedrigdruckzone (low pressu­ re zone) an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen wird.
Falls in der obigen Stufe die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 bleibt, um kontinuierlich die erhöhte Wasserstoffansaugleistung zu haben, wird ver­ ursacht, dass Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 mit einer verminderten Strömungsgeschwindigkeit abgelassen wird. In Stufe S1-9 erhöht demzufolge die Steu­ ereinheit 5 ferner die Ausgangsleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 um eine Men­ ge, die gleich einem Wert ist, die den Druckverlusten entspricht, die durch das Wasser­ stoffsteuerventil 11 verursacht werden. Entsprechenderweise wird der Druck am Punkt P1 in der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen im Wesent­ lichen konstanten Pegel gehalten, wie durch die gestrichelte Kurve P1 in Fig. 3 gezeigt ist. In diesem Fall verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt, sich nicht in einem breiten Be­ reich, und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuer­ ventils 11 wird abgesenkt.
Wenn in der nächsten Stufe S1-10 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn eine Niedrigdruckzone mit einem genügenden Pegel an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerven­ tils 11 bestätigt wird, öffnet die Steuereinheit 5 vollständig das Wasserstoffsteuerventil 11 in Stufe S1-11 und vermindert die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf ihr ursprüngliches Niveau, das für einen normalen Betrieb geeignet ist. In der dar­ auffolgenden Stufe S1-12 wird eine augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, solcher Art er­ höht, dass Feuchtigkeit mit dem Wasserstoffgas entfernt wird, und somit Produktwasser gespült wird. Da in diesem Fall die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf einen niedrigen Wert gesetzt ist, die einem Wert entspricht, der für einen normalen Be­ trieb erforderlich ist, wird verhindert, dass der Brennkammer 4 unerwünscht eine große Menge an ausströmenden Wasserstoffgas auf einmal zugeführt wird.
Es sollte angemerkt werden, dass, nachdem die augenblickliche Strömungsgeschwin­ digkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, erhöht wird, und die Feuchtigkeit mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit gespült wird, der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerven­ tils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite auf einem Niveau verbleiben, das geringfügig niedriger ist, als das ursprüngliche Niveau für einen norma­ len Betrieb. Wenn in Stufe S1-13 ermittelt wird, dass der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 im Wesentlichen gleich dem Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite ist und dass das Spülen der Feuchtig­ keit beendet ist, steuert die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Stufe S1-15 solcher Art, dass dem Brennstoffzellenpaket 1 Wasserstoffgas aus der Wasserstoffzu­ führungseinheit 2 mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. In Stufe S1-15 wird der Druck am Punkt P1 auf der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteu­ erventils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite augenblicklich wiedererlangt mit einem Wert, der nahezu gleich einem vorgegebenen Druckpegel Pop ist, der für einen normalen Betrieb erforderlich ist, wie zum Zeitpunkt t4 in Fig. 3 zu se­ hen ist.
Wenn der Druck am Punkt P1 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerven­ tils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite mit einem Wert wie­ dererlangt wird, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck ist, der für einen normalen Betrieb erforderlich ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in Stufe S1-16, ob die Zellen­ spannung, die nach dem Spülvorgang erzeugt ist, wie oben erläutert, die vorbestimmte Referenzspannung überschreitet. In dem Fall, dass die Zellenspannung aufgrund der Spülbehandlung wiedererlangt ist und der vorgegebene Referenzwert überschritten ist, wird der Spülablauf in Stufe S1-17 beendet, und die Operation kehrt zur normalen Be­ triebsart zurück.
Wenn in Stufe S1-16 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoff­ zellenpaket 1 nicht vollständig entfernt wurde, und der Ablauf kehrt zur Stufe S1-8 zu­ rück, und dann werden die Stufen S1-8 bis S1-15 wiederholt.
Wenn in der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorlie­ genden Erfindung überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 ange­ sammelt wird, wird überschüssige Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 ge­ spült. Entsprechenderweise macht es das Brennstoffzellensystem der Ausführungsform möglich, effektiv zu verhindern, dass der Spannungsabfall in der Brennstoffzelle durch eine überschüssige Feuchtigkeit verursacht wird, die sich in dem Brennstoffzellenpaket angesammelt hat, und dass das Brennstoffzellenpaket 1 in seiner normalen Arbeitsbe­ triebsart beibehalten wird.
Da bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform außerdem Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 durch Steuern des Öffnungsgrades des Wasserstoffsteu­ erventils 11 und durch Steuern der Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 gesteuert wird, ist das Brennstoffzellensystem im Aufbau nicht kompliziert und ein Spü­ len der Feuchtigkeit wird wünschenswerterweise mit einem äußerst einfachen Aufbau ausgeführt.
Da bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Er­ findung es nicht erforderlich ist, den Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf einen höheren Pegel mit Blick auf Spülen der Feuchtigkeit anzuheben, ist es möglich, beträchtlich den elektrischen Stromverbrauch zu vermindern, was bewirkt würde, wenn der Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf einen höheren Pegel angehoben würde. Bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform ist es insbesondere beab­ sichtigt, dass die Wasserstoffansaugpumpe 1 für überschüssiges Wasserstoffgas ar­ beitet, das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur elektrischen Stromerzeugung zur Reaktion gelangte und wird aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen. Wenn zusätz­ lich das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode des Brenn­ stoffzellenpaketes 1 einen kleinen Wert hat, ist der Anteil der Arbeit, die durch die Was­ serstoffansaugpumpe 12 auszuführen ist, gering. Da das Spülen der Feuchtigkeit mit einem geringen Arbeitsaufwand erzielt wird, kann der elektrische Stromverbrauch be­ trächtlich auf einen niedrigen Pegel verringert werden, der für einen Fall erforderlich ist, wo Feuchtigkeit mit einem hohen Betriebsdruck gespült wird, der in dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 verursacht wird.
Ferner wird bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform überschüssiges Was­ serstoffgas, das nicht zum Erzeugen von elektrischer Leistung in dem Brennstoffzellen­ paket 1 beiträgt, in der Brennkammer 4 verbrannt, um Wärmeenergie zu erzeugen. Da diese Wärmeenergie Teilen verliehen wird, wie z. B. dem Reformer 6 der Wasserstoff­ zuführungseinheit 2, wo die Wärmeenergie erforderlich ist, wird überschüssiger Wasser­ stoff, der von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, effektiv verwendet, und das Brennstoffzellenpaket 1 kann in einer besonders wirksamen Weise betrieben werden.
Eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. In dieser dargestellten Aus­ führungsform ist das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet, dass ein Was­ serstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaug­ pumpe 12 angeordnet ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von Fig. 4 sind jenen von Fig. 1 identisch, und daher wird nur ein wichtiger Teil dieser dargestellten Ausführungsform im Detail beschrieben.
Bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 4 kann Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 verbleibt, in dem gleichen Spülablauf gespült werden, wie bei dem Brenn­ stoffzellensystem, das in Fig. 1 gezeigt ist. Da bei dem Brennstoffzellensystem, das in Fig. 4 gezeigt ist, der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird eine Niedrigdruckzone, die ein großes Volumen hat, an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 gebildet, wenn der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen niedrigen Pegel verringert wird. Das heißt, wenn der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasser­ stoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird die Nied­ rigdruckzone sowohl durch die Volumen des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Was­ serstoffansaugpumpe 12 als auch das Volumen des Wasserstofftanks 13 gebildet.
Wenn in entsprechender Weise bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausfüh­ rungsform das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, kann eine große Menge an Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen werden, und daher kann die Feuchtigkeit in einer besonders wirksamen Weise gespült werden.
Da bei der zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems außerdem der Was­ serstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaug­ pumpe 12 angeordnet ist und das Volumen der Niedrigdruckzone erhöht wird, tritt das Wasserstoffgas, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt, in die Niedrig­ druckzone ein, die das große Volumen hat, und die Geschwindigkeitsenergie des Was­ serstoffgases wird durch die Niedrigdruckzone absorbiert. Somit wird verhindert, dass der Brennkammer 4 schnell Wasserstoffgas mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.
Entsprechenderweise ist es in der zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensys­ tems möglich, einen übermäßigen Temperaturanstieg in der Brennkammer 4 zu verhin­ dern, was verursacht würde, wenn der Brennkammer 4 augenblicklich Wasserstoffgas mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt würde, und daher wird verhindert, dass die Brennkammer 4 in seiner Betriebsleistung vermindert würde.
Eine dritte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben, wobei gleiche Teile die glei­ chen Bezugszeichen wie jene, die in Fig. 1 verwendet werden, tragen. Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von Fig. 5 ist ein Wasserstoffrückfüh­ rungsdurchgang Ph3 mit dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 verbunden, der sich von der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 1 erstreckt, um das über­ schüssige Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenpaket 1 rückzuführen, und das Wasser­ stoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 sind in dem Wasserstoffrück­ führungsdurchgang Ph3 angeordnet. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von Fig. 5 sind im Wesentlichen jenen, die in Fig. 1 gezeigt sind, identisch, und arbeiten in der gleichen Weise, und daher wird ein wesentliches Merkmal der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems nachstehend beschrieben.
Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von Fig. 5 hat der Was­ serstoffgasausströmdurchgang Ph2 ein zweites Wasserstoffsteuerventil 14, um die Strömungsgeschwindigkeit des überschüssigen Wasserstoffgases, das der Brennkam­ mer 4 zuzuführen ist, regelt. Das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 ist solcher Art ges­ taltet, dass es in einem geschlossenen Zustand gehalten wird oder mit einem kleinen Öffnungszustand gehalten wird, und das gesamte oder der meiste Teil des überschüssi­ gen Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 strömt, wird durch den Rückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt.
Die dritte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von Fig. 5 arbeitet mit dem gleichen Spülablauf wie die des Brennstoffzellensystems von Fig. 1, solcher Art, dass die Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, gespült werden kann. Da bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 5 Wasserstoffgas, das von dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 abgelassen wird, durch den Rückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt wird und wieder dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird, kann Wasserstoffgas, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit des Wasserstoffgases kann solcher Art erhöht werden, dass die Menge an Wasserstoffgas, der dem Brennstoffzellenpaket 1 zuzuführen ist, von der Wasserstoffzuführungseinheit 2, vermindert werden kann. Da auch die Menge an Was­ serstoffgas, das über den Rückführdurchgang Ph3 zurückgeführt wird, einer Verände­ rung in der Abhängigkeit des stöchiometrischen Verhältnisses an der Brennstoffelektro­ de oder der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zugeführt wird, bewirkt, ist es wünschenswert, dass die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Abhängigkeit von der Veränderung der Strömungsrate des Wasserstoffgases, das zurückgeführt wird, steuert, um dadurch die Strömungsrate des Wasserstoffgases, das erneut dem Brennstoffzellenpaket von der Wasserstoffzufüh­ rungseinheit 2 zugeführt wird, verändert.
Da in der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems Feuchtigkeit, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, über den Ablassgasrückführungsdurchgang Ph3 und dem Befeuchter 9 dem Brennstoffzellenpaket 1 zusammen mit dem über­ schüssigen Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu­ rückführt, kann Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 wiedergewonnen wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit von Wasser wird erhöht. Da außerdem Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 aufgrund des Spülens der Feuchtigkeit abgelassen wird, eine Flüssigkeitskomponente umfasst, ist es wünschenswert, dass, wenn die Temperatur des Wasserstoffgases, das dem Brenn­ stoffzellenpaket 1 zuzuführen ist, auf einem niedrigen Niveau ist und Feuchtigkeit nicht mit der Wärmeenergie des Wasserstoffgases verdampft werden kann, ein Verdampfer in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 angeordnet sein kann, um die Flüssig­ keitskomponente bei der Feuchtigkeit zu verdampfen, oder ein Kondensator kann vor­ gesehen sein, um die Flüssigkeitskomponente, die dem Brennstoffzellenpaket 1 wieder zuzuführen ist, zu kondensieren.
In der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems kann außerdem das Was­ serstoffsteuerventil 11, wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, an einer Position stromaufwärts einer Verbindung zwischen dem Wasserstoffausströmdurchgang 2 und dem Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 angeordnet sein, um den gleichen Effekt zu haben.
Eine vierte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von Fig. 6 ist im Aufbau zum Brennstoffzellensystem, das in Fig. 5 gezeigt ist gleich, und gleiche Teile tragen die gleichen Bezugszeichen, wie die, die in Fig. 5 gezeigt sind. In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das zweite Wasser­ stoffsteuerventil 14 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 zwischen dem Brenn­ stoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 parallel zu dem ersten Wasserstoffsteuer­ ventil 11 angeordnet und ist so ausgestaltet, dass es einen Öffnungsgrad aufweist, der durch die Steuereinheit 5 gesteuert wird, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpa­ ket 1 zu spülen. In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist außer­ dem das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 so ausgestaltet, dass es zu schließen ist oder einen verminderten Öffnungsgrad hat, wie das Brennstoffzellensystem von Fig. 5, während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems, und somit wird das gesamte oder meiste Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Wasserstoffgasrückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt.
Bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 6 wird darüber hinaus Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült und gleichzeitig wird die CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, die durch den Wasserstoffrückrührdurchgang Ph3 zurück­ geführt wird, abgesenkt. Das heißt, ein CO-Sensor 15 ist mit einer stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes 1 verbunden.
Bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 6 ist außerdem der Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 geringfügig unterschied­ lich von jedem der ersten bis dritten Ausführungsform der Brennstoffzellensysteme, wel­ che oben erläutert wurden. Ein Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, wird in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der Erfindung nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Bei dieser dargestellten Ausführungsform wird beim Start, d. h. wenn der Spülablauf ge­ startet wird, ein Spannungsabfall des Brennstoffzellenpaketes 1 durch das Zellenspan­ nungsüberwachungsgerät 10 in der Ausführungsstufe S2-1 ermittelt, das ein Ausgangs­ signal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall repräsentiert. Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben. Die Steuereinheit 5 steuert das Strömungssteuer­ ventil 8 solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis momentan verringert wird.
In der nächsten Stufe S2-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird, der größer ist, als der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Als ein Ergebnis dessen wird ein Abfall des stöchiometri­ schen Verhältnisses auf der Seite der Brennstoffelektrode in einem Spülablauf be­ schränkt.
In der darauffolgenden Stufe S2-3 entscheidet die Steuereinheit 5, ob die Ausgangs­ spannung der Brennstoffzelle, die nach der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erzeugt wurde, erhöht ist, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung aufgrund eines Anwachsens im stöchiometrischen Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektro­ de infolge des Anwachsens bei der Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaug­ pumpe 12 wiedererlangt wird und die Zellenspannung die Referenzspannung über­ schreitet, unterscheidet die Steuereinheit 5 in Stufe S3-4, dass das Spülen der Feuch­ tigkeit unnötig ist, und funktioniert in Stufe S2-5 so, dass die Ansaugleistung der Was­ serstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückgesetzt wird. Da in die­ sem Fall es unnötig ist, das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoff­ elektrode wieder zu erhöhen, wenn die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückgeführt wird, modifiziert die Steuereinheit 5 ei­ nen Steuerzielwert in Stufe S2-6 solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Stufe S2-7 wird die normale Arbeits­ weise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
Andererseits, in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in Stufe S2-3 ermittelt, dass die Zel­ lenspannung, die nach der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht wird, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger ist, als die Referenz­ spannung, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert in Stufe S2-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils solcher Art, dass das Wasserstoffsteu­ erventil 11 erhöhte Druckverluste hat.
Wenn in der obigen Stufe die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 belassen wird, wie sie ist, bewirkt dieses eine Verminderung der Strömungsge­ schwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, und in Stufe S2-9 erhöht die Steuereinheit 5 weiter die Ansaugleistung der Wasser­ stoffansaugpumpe 12, auf eine Größe, die gleich einem Wert ist, der den Druckverlusten entspricht, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 verursacht wird. Entsprechender­ weise wird der Druck am Punkt P1 in dem voreilenden Zustand des Wasserstoffsteuer­ ventils 11 auf einen im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird. In diesem Fall verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil hindurchtritt, nicht in einem breiten Bereich, und der Druck am Punkt P2 im Nachlaufzustand des Wasserstoffsteuerventils 11 wird abgesenkt.
In der nächsten Stufe S2-10 erhöht die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasser­ stoffsteuerventils 14. Daher wird das Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpa­ ket 1 abgelassen wird, über das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 der Brennkammer 4 zugeführt. Da in diesem Fall die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 zuzufüh­ ren ist, sich nicht verändern, besteht demzufolge keine Veränderung der Strömungsge­ schwindigkeit des Wasserstoffs, das durch das Brennstoffzellenpaket 1 hindurchtritt. Im Gegensatz, die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das der Brennkam­ mer 4 zuzuführen ist, erhöht sich, und in diesem Fall verringert sich der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 langsam, und die Ansaugleistung der Wasserstoffan­ saugpumpe 12 wird langsam erhöht, währenddessen der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 langsam vergrößert wird, solcher Art, dass es möglich ist, zu verhindern, dass der Brennkammer 4 eine große Menge an Wasserstoffgas plötzlich zugeführt wird, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg in der Brennkammer 4 in einer zuverlässigen Weise verhindert wird.
Wenn in der nächsten Stufe S2-11 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn eine Niedrigdruckzone auf einem genügenden Pegel an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerven­ tils 11 bestätigt wird, gibt die Steuereinheit 5 das Wasserstoffsteuerventil 11 in Stufe S2-12 frei und vermindert die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf seinen ursprünglichen Pegel, der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Zusätzlich vermindert die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des zweiten Steuerventils 14. In der darauffolgen­ den Stufe S2-13 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, sofort erhöht, und Feuchtigkeit wird mit überschüssigem Wasserstoffgas entfernt. Auch ist es möglich, zu verhindern, dass aus­ strömendes Wasserstoffgas unerwünscht in den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 aus dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 umgekehrt wird.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist es verständlich, dass, nachdem die Strö­ mungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, sofort erhöht wird und die Feuchtigkeit gespült wird, der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite auf einen Pegel verbleibt, der geringfügig niedriger ist, als der ursprüngliche Pegel, der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Wenn in Stufe S2-14 ermittelt wurde, dass der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwär­ tigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 im Wesentlichen gleich dem Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite desselben ist, und dass ein Spülen von Feuch­ tigkeit abgeschlossen ist, steuert die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Stufe S2-15 solcher Art, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket 1 aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, erhöht wird. Entsprechenderweise werden in Stufe S2-16 der Druck an Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck an Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite sofort wiedererlangt, so dass ein Wert erreicht wird, der na­ hezu gleich einem vorgegebenen Druckpegel ist, der für einen Normalbetrieb ermittelt wurde. In diesem Fall wird Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 strömt, der Brennkammer 4 über den Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 zugeführt.
Wenn der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuer­ ventils 11 und der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite wiedererlangt wer­ den auf einen Wert, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck für einen Normalbe­ trieb ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in Stufe S2-17, ob die Zellenspannung, die nach dem Spülvorgang erzeugt wurde, die vorgegebene Referenzspannung über­ schreitet. In dem Fall, dass die Zellenspannung infolge der Spülbehandlung wiederer­ langt wurde und den vorgegebenen Referenzwert überschreitet, wird der Spülablauf in Stufe S2-18 abgeschlossen, und die Arbeitsweise kehrt auf ihre normale Betriebsart zurück.
Wenn in Stufe S2-17 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoff­ zellenpaket 1 nicht vollständig entfernt wurde, und die Operation kehrt zur Stufe S2-8 zurück, und dann wird eine Gruppe von Spülvorgängen wiederholt.
In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems entsprechend der vorlie­ genden Erfindung wird, wenn überschüssige Feuchtigkeit sich in dem Brennstoffzellen­ paket 1 angesammelt hat, überschüssige Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült, und gleichzeitig tritt eine CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthal­ ten ist, durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 hindurch. Da, mehr im Ein­ zelnen Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt wird, wird die CO-Konzen­ tration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, das durch den Wasserstoffrückfüh­ rungsdurchgang Ph3 strömt, allmählich erhöht. Wenn in diesem Fall Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 in dem Spülablauf, wie oben erläutert, gespült wird, wird der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 solcher Art vergrößert, dass bewirkt wird, dass das Wasserstoffgas, das eine hohe CO-Konzentration hat, durch das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 zu der Brennkammer 4 strömt. Wenn auch der Öff­ nungsgrad des zweiten Steuerventils 14 verringert wird, wird die Strömungsgeschwin­ digkeit von Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, solcher Art erhöht, dass der Brennkammer 4 Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoff­ zellenpaket 1 abgelassen wird und eine niedrige CO-Konzentration infolge eines Anstei­ gens der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases enthält, das von der Was­ serstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, zugeführt wird. Wenn in entsprechender Weise der Spülvorgang beendet wird, und die Operation zu der Normalbetriebsart zu­ rückkehrt, wird die CO-Konzentration von Wasserstoffgas, das in Umlauf gebracht wird, durch den Wasserstoffdurchgang Ph3 abgesenkt.
In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung ermittelt auch der CO-Sensor 15 die CO-Konzentration von Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffdurchgang Ph1 strömt, um ein CO-Ermittlungssignal zu erzeugen. Wenn das CO-Ermittlungssignal einen vorgegebenen Referenzwert überschreitet, wird der Spülablauf ausgeführt, auch in dem Fall, wo es nicht erforderlich ist, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, solcher Art, dass eine Priorität gegeben wird, die CO-Konzentration des Wasserstoffgases zu verringern. Da es in diesem Fall unnötig ist, die augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, zu erhöhen, wird die sofortige Öffnung des Wasserstoffgassteuerventils 11 nicht notwendigerweise ausgeführt.
Eine fünfte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Er­ findung wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von Fig. 8 ist im Aufbau dem Brennstoffzellensystem von Fig. 1 identisch mit einer Ausnah­ me, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet sind, und zusätzlich ein Luftsteuerventil 16 und eine Luftansaugpumpe 17 in dem Luftausströmdurchgang Pa2 angeordnet sind und durch die Steuereinheit 5 gesteuert werden.
In dem Brennstoffzellensystem von Fig. 8 sind das Luftsteuerventil 16 und die Luftan­ saugpumpe 17 zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 ange­ ordnet und haben den gleichen Aufbau wie das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12, solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 und das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe 17 in einer gleichzeitigen Weise gesteuert werden, um auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, ohne zu bewirken, dass eine große Druck­ differenz zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftablassseite vorhanden ist.
Mehr im Einzelnen, wenn Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, falls ein großer Druckunterschied zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftab­ lassseite existiert, kann ein Qualitätsverlust der Polymermembran, die in dem Brenn­ stoffzellenpaket 1 als das Elektrolyt verwendet wird hinsichtlich einer Arbeitsleitung auf­ treten. Bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 8 jedoch weist der Luftausströmdurch­ gang Pa2 das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe solcher Art auf, dass diese Teile die Luftablassseite bilden, die den gleichen Aufbau haben, wie die Wasserstoffab­ lassseite, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 gebildet wird. In dem Spülablauf von Fig. 2 wird der Öffnungsgrad des Wasser­ stoffsteuerventils 11 gesteuert, und gleichzeitig wird auch der Öffnungsgrad des Luft­ steuerventils 16 gesteuert, während die Ansaugleistung der Ansaugpumpe 12 gesteuert wird, und gleichzeitig wird ebenfalls die Ansaugleistung der Luftansaugpumpe 17 ge­ steuert. Mit solch einer gleichzeitigen Steuerung kann Feuchtigkeit aus dem Brennstoff­ zellenpaket 1 gespült werden, während die Drücke an der Luftablassseite und der Was­ serstoffablassseite auf einen im Wesentlichen gleichen Pegel zu jeder Zeit gehalten werden. Somit kann verhindert werden, dass die Polymermembran einen ernsthaften Qualitätsverlust erleidet aufgrund der Druckdifferenz, die an der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite bewirkt wird, um dadurch ein geeignetes Feuchtigkeitsspülen zu erzielen.
Bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 8 wird die Steuerung des Wasserstoffsteuer­ ventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig erzielt, und der Brennkammer 4 wird ab­ gelassenes Wasserstoffgas und abgelassener Luft mit gleichgesteuerten Strömungsge­ schwindigkeiten jeweils zugeführt, wodurch ein Überhitzen der Brennkammer 4 zuver­ lässig vermieden werden kann, und es kann verhindert werden, dass die Brennkammer 4 ernsthaft in ihrer Arbeitsleistung verschlechtert wird.
Eine sechste Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von Fig. 9 hat einen Basisaufbau, der identisch zu dem von Fig. 8 ist, mit der Ausnah­ me, dass der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern, und ein Lufttank 18 ist zwi­ schen dem Luftsteuerventil 16 und der Luftansaugpumpe 17 angeordnet, um momentan Luft, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern.
Da in dem Brennstoffzellensystem von Fig. 9 das Luftsteuerventil 16 und die Luftan­ saugpumpe 17 in dem Luftausströmdurchgang Pa2 angeordnet ist und der Lufttank zwi­ schen dem Luftsteuerventil 16 und der Luftansaugpumpe 17 angeordnet ist, während­ dessen das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet sind und der Wasserstofftank 13 zwi­ schen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeord­ net ist, haben die Luftablassseite und die Wasserstoffablassseite den gleichen Aufbau, wie der, der in Fig. 8 gezeigt ist. Durch gleichzeitiges Ausführen der Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und der Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 18 in dem gleichen Spülablauf, wie der, der in der Ausführungsform von Fig. 5 ausgeführt wird, ist es möglich, auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, ohne zu bewirken, dass eine große Druckdifferenz zwischen der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite auftritt, was bewirken würde, dass eine Verschlechterung der Arbeitsleistung der Poly­ mermembran auftritt.
Da auch bei dem Brennstoffzellensystem von Fig. 9 der Wasserstofftank zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 wie in der Ausfüh­ rungsform von Fig. 4 angeordnet ist, wird ein großes Volumen einer Niedrigdruckzone an einem Punkt stromabwärts des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen, wenn der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 solcher Art verringert wird, dass, wenn das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 gespült wird, eine große Menge an Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzel­ lenpaket 1 abgelassen werden kann, und eine Feuchtigkeitsspülung kann in einer be­ trächtlich effizienten Art und Weise ausgeführt werden.
In dem Brennstoffzellensystem von Fig. 9 wird außerdem die Steuerung des Wasser­ stoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Steuerung des Luft­ steuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig ausgeführt, solcher Art, dass der abgelassene Wasserstoff und die abgelassene Luft der Brennkammer 4 mit gleich­ gesteuerten Geschwindigkeiten hinzugeführt werden kann, solcher Art, dass zuverlässig verhindert werden kann, dass die Brennkammer 4 überhitzt wird und in der Arbeitsleis­ tung verschlechtert wird.
Das Brennstoffzellensystem und das Verfahren, das dieses steuert nach der vorliegen­ den Erfindung schafft zahlreiche Vorteile, wie nachstehend zusammengefasst sind.
Die Operationssteuerung kann stark vereinfacht werden. Anders als bei den Prozessen nach dem Stand der Technik, welche den Betriebsdruck einer Brennstoffzelle erhöhen muss, um Feuchtigkeit aus einem Brennstoffzellenpaket zu spülen mit einem sich dar­ aus ergebenden komplizierten Aufbau, der in einem Brennstoffzellensystem verursacht wird und einem erhöhten elektrischen Leistungsverbrauch, wird das Brennstoffzellen­ system der vorliegenden Erfindung normalerweise einen vereinfachten Operationspro­ zess erfordern zum Spülen von Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket mit einem einfachen Aufbau. Das offensichtliche Ergebnis ist die Vermeidung von kostenaufwändi­ gen und hochkomplizierten Prozesssteuerungen, welche notwendig sind, um das Brennstoffzellensystem auf einem erhöhten Druck bei den Prozessen nach dem Stand der Technik beizubehalten. Ein anderer Vorteil beruht in dem Fakt, dass Feuchtigkeit effektiv zu gewünschten Zeitpunkten gespült werden kann, ohne die Basisarbeitsweise der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu opfern.
Da zumindest ein Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abge­ lassen wird, in einer Brennkammer verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen, kann abgelassenes Wasserstoffgas wirksam verwendet werden und verschiedenen Teilen, die die Wärmeenergie benötigen, zugeführt werden.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Wasserstoffsteu­ erventil, das eine genügende Volumenmenge einer Niedrigdruckzone schafft, die auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes ausgebildet ist. Wenn ent­ sprechenderweise eine Steuereinheit vollständig das Wasserstoffsteuerventil öffnet, kann eine genügend große Wasserstoffgasmenge aus dem Brennstoffzellenpaket sol­ cher Art abgelassen werden, dass Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket in einer besonders zuverlässigen Weise gespült werden kann.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Wasserstoff­ gasausströmrückführdurchgang, der zwischen einem Einlass und einem Auslass eines Brennstoffzellenpaketes angeordnet ist hinsichtlich der Rückführung zumindest eines Bereiches des abgelassenen Wasserstoffgases zum Einlass des Brennstoffzellenpake­ tes. Demzufolge hat das System der vorliegenden Erfindung eine höhere Leistungsab­ gabekapazität pro Volumeneinheit von eingeführtem Wasserstoffgas, da das abgelas­ sene Wasserstoffgas zum Erzeugen von einer elektrischen Leistungsabgabe rückge­ führt wird. Somit ist es möglich, eine hohe Geschwindigkeit der Umwandlung von Was­ serstoffgas in elektrische Leistungsabgabe beizubehalten. Da ferner die Menge an Wasserstoffgas, die dem Brennstoffzellenpaket zugeführt wird, verringert wird, ist es möglich, einen Reformer zu verwenden, der eine kleine Größe hat und niedrige Kosten hat. Da zusätzlich ein Teil der Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird, auch mit dem abgelassenen Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffrückführ­ durchgang rückgeführt wird, es möglich, die Menge an Wasser, die zu verdampfen ist zu vermindern, und einen Befeuchter zu verwenden, der eine kleine Größe hat und welcher eine verringerte Größe an elektrischer Eingangsleistung erfordert. Auch kann aufgrund des rückgeführten abgelassenen Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenpaket Was­ serstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket zugeführt wird, eine niedrige Konzentration von CO haben, solcher Art, dass die Lebensdauer des Brennstoffzellenpaketes wirksam erhöht werden kann.
Auch beinhaltet das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung einen Luftaus­ strömdurchgang und einen Wasserstoffausströmdurchgang, die mit einem Brennstoff­ zellenpaket verbunden sind, und eine Luftansaugpumpe und eine Wasserstoffansaug­ pumpe, die in dem Luftausströmdurchgang und dem Wasserstoffgasausströmdurchgang jeweils angeordnet sind, und ein Luftsteuerventil und ein Wasserstoffsteuerventil, wel­ che jeweils auf der stromaufwärtigen Seite der Luftansaugpumpe und der Wasserstoff­ ansaugpumpe angeordnet sind. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket zu spülen ohne einen Druckausgleich zwischen dem Luftausströmdurchgang und dem Wasserstoffausströmdurchgang beizubehalten. Dem­ zufolge ist es möglich, zu verhindern, dass ein Qualitätsverlust einer Polymerelektrolyt­ membran eines Brennstoffzellenpaketes hinsichtlich der Arbeitsleistung aufgrund der Druckdifferenz auftritt, die an einer Luftablassseite und einer Wasserstoffablassseite verursacht wird.
Der gesamte Inhalt der Patentanmeldung Nr. TOKUGAN 2000-38397 mit Einreichungs­ datum 16. Februar 2000 in Japan und der Patentanmeldung Nr. TOKUGAN 2000-390929 mit Einreichungsdatum 22. Dezember 2000 in Japan werden hiermit durch Be­ zugnahme eingeschlossen.
Obwohl die obige Beschreibung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Modifikationen und Veränderungen der Ausführungsfor­ men, die oben beschrieben wurden, werden für den Fachmann im Sinne der Lehre er­ sichtlich. Der Schutzumfang der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Patentansprüche definiert.

Claims (10)

1. Brennstoffzellensystem gekennzeichnet durch:
ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket (1);
eine Wasserstoffzuführungseinheit (2), die dem Brennstoffzellenpaket (1) Wasser­ stoffgas zuführt;
eine Luftzuführungseinheit (3), die dem Brennstoffzellenpaket (1) Luft zuführt;
eine Wasserstoffansaugpumpe (12), die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) angeordnet ist und Wasserstoffgas aus dem Brenn­ stoffzellenpaket (1) ansaugt;
ein erstes Wasserstoffsteuerventil (11), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Wasserstoffansaugpumpe (12) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat; und
eine Steuereinheit (5), die die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystem solcher Art steuert, dass, wenn die Steuereinheit (5) unterscheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) auf einen übermäßigen Niveau verbleibt, die Steuerein­ heit (5) die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe (12) erhöht, den Öff­ nungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) öffnet, während Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) gespült wird.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems solcher Art steuert, dass, wenn die Steuereinheit (5) unterscheidet, dass in dem Brennstoffzellenpaket (1) Feuchtigkeit auf einem übermäßigen Niveau verbleibt, die Steuereinheit (5) die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe (12) auf einen Pegel erhöht, der größer ist als der, der für eine normale Arbeitsweise erforderlich ist, den Öffnungs­ grad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert, um den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) zu verringern ohne die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases in einem breiten Bereich zu ver­ ändern, das durch das Brennstoffzellenpaket (1) hindurchtritt, und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) öffnet zum sofortigen Erhöhen der Strö­ mungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, während die Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) gespült wird.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Brenn­ kammer (4), die zumindestens einen Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, verbrennt, um Wärmeenergie zu er­ zeugen.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wasser­ stofftank (13), der zwischen dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) und der Was­ serstoffansaugpumpe (12) angeordnet ist, um momentan das Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, zu speichern.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Wasser­ stoffrückführungsdurchgang (Ph3), um zumindest einen Teil des Wasserstoffga­ ses, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, wieder dem Brenn­ stoffzellenpaket (1) zurückzuführen, wobei das erste Wasserstoffsteuerventil (11) und die Wasserstoffansaugpumpe (12) in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph3) angeordnet sind.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein zweites Wasserstoffsteuerventil (14), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Brennkammer (4) parallel zu dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) angeordnet ist in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph3) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei die Steuereinheit (5) den Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert, während der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14) vergrößert wird und nachfolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) geöffnet wird, während der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14) verringert wird, wenn die Steuereinheit (5) unter­ scheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) auf einem übermäßi­ gen Niveau verbleibt.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Luftan­ saugpumpe (17), die mit der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) verbunden ist, um Luft aus dem Brennstoffzellenpaket (1) anzusaugen, und ein Luftsteuerventil (16), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Luftan­ saugpumpe (17) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei die Steuereinheit (5) die Ansaugleistung der Luftansaugpumpe (17) auf einen Pe­ gel erhöht, der größer ist, als der, der für einen Normalbetrieb des Brennstoffzel­ lenpaketes (1) erforderlich ist, während die Ansaugleistung der Wasserstoffan­ saugpumpe (12) erhöht wird und der Öffnungsgrad des Luftsteuerventils (16) ver­ ringert wird, während der Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert wird, und darauffolgend das Luftsteuerventil (16) geöffnet wird, während das erste Wasserstoffsteuerventil (11) geöffnet wird, wenn die Steuereinheit (5) unterscheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) auf einem übermäßigen Niveau verbleibt.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Lufttank (18), der zwischen dem Luftsteuerventil (16) und der Luftansaugpumpe (17) ange­ ordnet ist, um momentan Luft zu speichern, die von dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird.
9. Brennstoffzellensystem gekennzeichnet durch ein Polymerelektrolyt-Brennstoff­ zellenpaket;
eine Wasserstoffzuführungseinrichtung zum Zuführen von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket;
eine Luftzuführungseinrichtung zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenpa­ ket;
eine Wasserstoffansaugeinrichtung zum Ansaugen von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket;
eine Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Öffnungsgrads bezüglich des Was­ serstoffgases aus dem Brennstoffzellenpaket;
eine Steuereinrichtung zum Steuern der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems solcher Art, dass, wenn die Steuereinrichtung unterscheidet, dass Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket auf einem übermäßigen Pegel verbleibt, die Steuerein­ richtung die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe erhöht, den Öffnungs­ grad der Einstelleinrichtung verringert und darauffolgend die Einstelleinrichtung öffnet, während Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird.
10. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das ein Polymerelektrolyt- Brennstoffzellenpaket aufweist, eine Wasserstoffzuführungseinheit aufweist, die dem Brennstoffzellenpaket Wasserstoffgas zuführt, eine Luftzuführungseinheit aufweist, die dem Brennstoffzellenpaket Luft zuführt, eine Luftansaugpumpe auf­ weist, die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes angeordnet ist und Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket ansaugt, ein Wasserstoff­ steuerventil aufweist, das zwischen dem Brennstoffzellenpaket und der Wasser­ stoffansaugpumpe angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, mit den Verfahrensschritten:
Steuern der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems solcher Art, dass, wenn unterschieden wird, das Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket auf einem übermäßigen Niveau verbleibt, die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe erhöht wird, der Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils verringert wird und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil geöffnet wird, während Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird.
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