Eine
allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem
anzugeben, in dem kontinuierlich eine stabile Energieerzeugung ausgeführt wird,
ohne jegliches Abgas von der Anodenseite her abzugeben.
Eine
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem
anzugeben, in dem kein wasserstoffhaltiges Gas verschwenderisch
zur Außenseite
abgegeben wird und das wasserstoffhaltige Gas effizient genutzt
wird, um die wirtschaftliche Energieerzeugung auszuführen.
Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches
und wirtschaftliches Brennstoffzellensystem anzugeben, in dem kein
Befeuchter zum Befeuchten des wasserstoffhaltigen Gases an der Anodenseite
vorgesehen ist.
Eine
noch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches
und wirtschaftliches Brennstoffzellensystem anzugeben, in dem kein
Mechanismus zum Verdünnen
oder Verbrennen von wasserstoffhaltigem Gas vorgesehen ist.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Strömungsrate
des der Kathode zugeführten
sauerstoffhaltigen Gases gesteuert/geregelt, um die von der Kathode
zur Anode diffundierende Wassermenge sowie die von der Anode zur
Kathode durch die Wasserstoffionen (Protonen) gezogene Wassermenge (Wassermoleküle) zu regulieren.
Wasserkondensation an der Anodenseite wird verhindert, und die Elektrolytmembrane
wird durch das von der Kathode zur Anode diffundierte Wasser geeignet
befeuchtet. Daher ist kein Befeuchter erforderlich, um das wasserstoffhaltige
Gas zu befeuchten. Die gewünschte Menge
an wasserstoffhaltigem Gas wird der Anode zugeführt, um die stabile Energieerzeugung
auszuführen.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigen Gases durch
einen Feuchtigkeitssensor akkurat erfasst, und die Feuchtigkeit
wird in einen vorbestimmten Bereich von weniger als 100 % gesteuert/geregelt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das wasserstoffhaltige Gas zirkuliert, um das unverbrauchte
Wasserstoffgas der Anode zuzuführen.
Somit wird das wasserstoffhaltige Gas nicht zur Außenseite
abgegeben. Der Wasserstoff in dem wasserstoffhaltigen Gas wird effizient
genutzt.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die Strömungsrate
des der Kathode zugeführten
sauerstoffhaltigen Gases und die Strömungsrate des der Anode durch
die Zirkulationspassage zugeführten wasserstoffhaltigen
Gases gesteuert/geregelt, um die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigen
Gases in einen vorbestimmten Bereich zu steuern/zu regeln, derart,
dass das wasserstoffhaltige Gas an der Anode nicht mit Wasser gesättigt wird.
Das Abgas wird nicht von der Anode abgegeben, und die gewünschte Menge
an wasserstoffhaltigem Gas wird der Anode zugeführt, um die Energieerzeugung
stabil auszuführen.
Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Befeuchtungsbetrieb des
der Kathode zugeführten
sauerstoffhaltigen Gases durch Betrieb des Umschaltventils gesteuert/geregelt,
das mit der Bypasspassage verbunden ist, die parallel zu dem Befeuchter
angeordnet ist. Somit werden die von der Kathode zur Anode diffundierte
Wassermenge und die sich von der Anode zur Kathode durch die Wasserstoffionen
bewegende Wassermenge eingestellt.
Die
obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen näher
ersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhand
eines illustrativen Beispiels gezeigt sind.
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm,
das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführung der
vorliegenden Erfindung zeigt;
2 zeigt ein Modell eines
Brennstoffzellenstapels;
3 ist eine Ansicht mit Darstellung
einer Beziehung zwischen der Stöchiometrie
an einer Kathode und einer Feuchtigkeit an einer Anode;
4 ist eine Ansicht mit Darstellung
einer anderen Beziehung zwischen der Stöchiometrie an der Kathode und
der Feuchtigkeit an der Anode;
5 ist ein Blockdiagramm
mit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
zweiten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Blockdiagramm
mit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
dritten Ausführung
der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Blockdiagramm
mit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
vierten Ausführung
der vorliegenden Erfindung; und
8 ist ein Blockdiagramm
mit Darstellung eines herkömmlichen
Brennstoffzellensystems.
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm
mit Darstellung eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß einer
ersten Ausführung
der vorliegenden Erfindung. In 1 bezeichnen
die doppelten Linien Gaspassagen, und die einfachen Linien bezeichnen
elektrische Signalleitungen.
Das
Brennstoffzellensystem 20 enthält einen Brennstoffzellenstapel 22.
Ein Brenngas, wie etwa Wasserstoffgas, und ein sauerstoffhaltiges
Gas, wie etwa Luft, werden dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt, um
elektrische Energie zu erzeugen, die einer Last zugeführt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 22 ist durch Stapeln einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen gebildet, die jeweils eine Anode 24,
eine Kathode 26 und eine zwischen der Anode 24 und
der Kathode 26 angeordnete Elektrolytmembrane 28 enthalten.
Das Wasserstoffgas wird der Anode 24 zugeführt, und
die Luft wird der Kathode 26 zugeführt.
Das
Wasserstoffgas wird in einem Tank 30 gespeichert. Das Wasserstoffgas
wird von dem Tank 30 durch ein Ventil 32, einen
Regulator 34, einen Wärmeaustauscher 36 und
eine Pumpe 38 einem Einlass der Anode 24 zugeführt. Die
Pumpe 38 ist auch mit einem Auslass der Anode durch eine
Zirkulationspassage 40 verbunden. Ein Feuchtigkeitssensor
42 zum Erfassen der Feuchtigkeit an der Anode 24 ist in
der Zirkulationspassage 42 angeordnet. Das Ventil 32 wird
geöffnet,
wenn die Stromerzeugung gestartet wird, und geschlossen, wenn die
Stromerzeugung beendet wird. Der Regulator 34 regelt den Druck
des der Anode 24 zugeführten
Wasserstoffgases gemäß einem
Steuersignal (Steuerwert), das von einem Wasserstoffdruckregler 44 ausgegeben
wird. Die Temperatur des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgases
wird durch den Wärmeaustauscher 36 für die Stromerzeugung
optimiert. Die mit der Zirkulationspassage 40 verbundene
Pumpe 38 wird benutzt, um das von dem Auslass der Anode 24 abgegebene Wasserstoffgas
zu dem Einlass der Anode 24 rückzuführen. Der Wasserstoff in dem
Wasserstoffgas (Brenngas) wird an der Anode 24 teilweise
verbraucht. Der Wasserstoff, der an der Anode 24 nicht verbraucht
ist, wird wieder dem Einlass der Anode 24 zugeführt.
Die
Luft wird durch einen Strömungsratensensor 46 einem
Kompressor 48 zugeführt.
Die Luft wird durch den Kompressor 48 unter Druck gesetzt und
dem Einlass der Kathode 26 durch einen Wärmeaustauscher 50 und
einen Befeuchter 52 zugeführt. Der Auslass der Kathode 25 ist
mit der Außenseite
durch ein Ventil und den Befeuchter 52 verbindbar. Der
Strömungsratensensor 46 erfasst
die Strömungsrate
der der Kathode 26 zugeführten Luft. Der Kompressor 48 reguliert
die Strömungsrate
der der Kathode 26 zugeführten Luft entsprechend einem Steuersignal
(Steuerwert), das von einem Strömungsratenregler 56 zugeführt wird.
Die Temperatur der der Kathode 26 zugeführten Luft wird für die Stromerzeugung
durch den Wärmeaustauscher 50 optimiert.
Der Befeuchter 52 befeuchtet die Luft unter Verwendung
des Wassers in dem von der Kathode 26 abgegebenen Abgas.
Der Öffnungsgrad
des Ventils 54 wird durch ein Steuersignal (Steuerwert),
das von einem Luftdruckregler 58 ausgegeben wird, derart
geregelt, dass der Druck der der Kathode 26 zugeführten Luft
reguliert werden kann.
Das
Brennstoffzellensystem 20 weist eine Laststromsetzeinheit 60 auf,
um den Laststrom entsprechend der durch die Last benötigten elektrischen Energiemenge
zu bestimmen. Die Laststromsetzeinheit 60 steuert/regelt
den Luftdruckregler 58 zum Zuführen der Druckluft zu der Kathode 26,
um die der Last zugeführte
erforderliche elektrische Energiemenge zu erzeugen. Der Luftdruckregler 58 steuert den
Wasserstoffdruckregler 44 zum Zuführen des Wasserstoffgases zu
der Anode 24 derart, dass das Verhältnis des Drucks des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgases
in Bezug auf den Druck der der Kathode 26 zugeführten Luft
optimiert ist. Ferner steuert die Laststromsetzeinheit 60 den
Strömungsratenregler 56 auf
der Basis des Laststroms zum Regulieren der Strömungsrate der Luft derart,
dass die Feuchtigkeit an der Anode 24 optimiert ist.
Das
Brennstoffzellensystem 20 gemäß der ersten Ausführung ist
grundlegend so aufgebaut wie oben beschrieben. Als Nächstes wird
der Bestrieb des Brennstoffzellensystems 20 beschrieben.
Zuerst
bestimmt die Laststromsetzeinheit 60 einen der Last zugeführten Solllaststrom.
Auf der Basis des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmten
Solllaststroms stellt der Luftdruckregler 58 den Öffnungsgrad
des Ventils 54 ein, um den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luft
zu regeln. Der Wasserstoffdruckregler 44 steuert den Regulator 34 an,
um den Druck des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgases derart
anzustellen, dass das Verhältnis
des Drucks des Wasserstoffs in Bezug auf den Druck der Luft auf
den optimierten Pegel reguliert wird. Der Strömungsratenregler 56 regelt
den Kompressor 48, um die Strömungsrate der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luft
auf der Basis von Parametern einzustellen, wie etwa der von dem
Strömungsratensensor 26 erfassten
Strömungsrate
der Luft und der von dem Feuchtigkeitssensor 42 erfassten
Feuchtigkeit in dem Wasserstoffgas.
Das
in dem Wasserstofftank 30 gespeicherte Wasserstoffgas wird
durch Öffnen
des Ventils 32 dem Regulator 34 zugeführt. Nachdem
der Druck des Wasserstoffgases durch den Regulator 34 geregelt worden
ist, wird das Wasserstoffgas dem Wärmeaustauscher 36 zugeführt. Nachdem
die Temperatur des Wasserstoffgases durch den Wärmeaustauscher 36 reguliert
worden ist, wird das Wasserstoffgas der Anode 24 für jede der
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 22 durch die
Pumpe 38 zugeführt. Nachdem
die Strömungsrate
und der Druck der Luft auf der Basis des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmten
Laststroms reguliert sind, wird die Temperatur der Luft durch den
Wärmeaustauscher 50 geregelt,
und die Feuchtigkeit der Luft wird durch den Befeuchter 52 geregelt.
Dann wird die Luft der Kathode 26 für jede der Brennstoffzellen
des Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt.
Das
dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführte Wasserstoffgas wird in
dem durch die Katalysatorschicht der Anode 24 induzierten
elektrochemischen Reaktion in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen
gespalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembrane
zu der Kathode 26 hin, und die Elektronen fließen durch
einen externe Schaltung zu der Kathode 26, um einen der Last
zugeführten
elektrischen Strom zu erzeugen. Die Luft wird der Kathode 26 zugeführt. An
der Kathode 26 verbinden sich die Wasserstoffionen von
der Anode 24 mit den Elektronen und Sauerstoff in der Luft,
zur Erzeugung von Wasser.
Nachem
der Wasserstoff an der Kathode 26 teilweise verbraucht
ist, werden die restliche Luft und das an der Kathode 26 erzeugte
Wasser als Abgas durch das Ventil 54 und den Befeuchter 52 zur
Außenseite
ausgegeben. Der Befeuchter 52 nutzt das Wasser in dem Abgas
zum Befeuchten der der Kathode 26 zugeführten Luft. Auf diese Weise
wird die Elektrolytmembrane 28 des Brennstoffzellenstapels 22 durch
das Wasser in der Luft geeignet befeuchtet. Das Wasser in der Luft
und das während
der Stromerzeugung erzeugte Wasser werden zur Anode 24 diffundiert,
um das Wasserstoffgas zu befeuchten, und das befeuchtete Wasserstofgas
wird auch dazu genutzt, die Feuchtigkeit an der Elektrolytmembrane 28 auf
dem gewünschten
Pegel zu halten. Demzufolge wird die Stromerzeugung zuverlässig auf
dem gewünschten
Spannungspegel ausgeführt.
Nachdem der Wasserstoff an der Anode 24 teilweise verbraucht ist,
wird das Wasserstoffgas durch die Pumpe 38 rückgeführt, um
den restlichen Wasserstoff in dem Wasserstoffgas zu nutzen. Somit
wird die effiziente Stromerzeugung kontinuierlich ausgeführt.
In
der ersten Ausführung
wird die Strömungsrate
der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luft durch den Strömungsratenregler 56 reguliert.
Ohne jeden Befeuchter in dem System zum Zuführen des Wasserstoffgases zu
der Anode 24 wird die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases
auf dem optimalen Pegel gehalten. Das Wasserstoffgas wird nicht
verschwenderisch zur Außenseite
abgegeben. Die Stromerzeugung zum Zuführen elektrischer Energie zu
der Last wird stabil auf dem gewünschten Spannungspegel
ausgeführt.
2 zeigt ein Modell des Brennstoffzellenstapels 22.
Die Wassermenge, die von der Kathode 26 zur Anode 24 durch
Rückdiffusion
diffundiert wird, wird durch die folgende bekannte Gleichung (1)
berechnet: γ = Dw(Hm) × (Cwc(Hc) – Cwa(Ha))/tm (1)wobei tm
die Dicke der Elektrolytmembrane 28 ist, Dw(Hm) der Wasserdiffusionskoeffizient
in der Elektrolytmembrane 28 ist, Cwc(Hc) die Wasserdichte
an der Grenze zwischen der Kathode 26 und der Elektrolytmembrane 28 ist,
Cwa(Ha) die Wasserdichte an der Grenze zwischen der Anode 24 und
der Elektrolytmembrane 28 ist. Der Wasserdiffusionskoeffizient Dw(Hm)
ist von der Feuchtigkeit Hm in der Membranelektrodenanordnung 28 abhängig. Die
Wasserdichte Cwc(Hc) ist von der mittleren Feuchtigkeit an der Kathode 26 (Kathodenfeuchtigkeit
Hc) abhängig.
Die Wasserdichte Cwa(Ha) ist von der durchschnittlichen Feuchtigkeit
an der Anode 28 (Anodenfeuchtigkeit Ha) abhängig.
Die
an der Anode 24 erzeugten Wasserstoffionen (Protonen) bewegen
sich zusammen mit den Wassermolekülen zu der Kathode 26 hin.
Die Wassermenge, die sich durch elektroosmotischen Wassersog von
der Anode 24 zu der Kathode 26 bewegt, wird durch
die folgende bekannte Gleichung (2) berechnet: δ = nd(Hm) × M(I)wobei
nd(Hm) die Anzahl der ein Wasserstoffion begleitenden Wassermoleküle ist,
M(I) die Molzahl der bewegenden Wasserstoffionen ist. Die Anzahl
der Wasserstoffmoleküle
nd(Hm) ist von der Feuchtigkeit Hm in der Elektrolytmembrane 28 abhängig, und
die Molzahl der bewegenden Wasserstoffionen M(I) ist von dem durch
den Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Laststrom I abhängig.
Das
Wasserstoffgas in der Zirkulationspassage 40, die die Passage
zum Zuführen
des Wasserstoffgases zu der Anode 24 enthält, muss
geeignet befeuchtet werden. Daher ist der Feuchtigkeitssensor 42 in
der Zirkulationspassage 40 vorgesehen, um die durchschnittliche
Feuchte des Wasserstoffgases innerhalb eines vorbestimmten gewünschten
Bereichs von weniger als 100 % zu regten.
Die
durchschnittliche Feuchtigkeit (Anodenfeuchtigkeit) Ha des Wasserstoffgases
wird bestimmt durch die Differenz (γ – δ) zwischen der Wassermenge,
die von der Kathode 26 zu der Anode 24 durch Rückdiffusion
diffundiert, und der Wassermenge, die sich von der Anode 24 zur
Kathode 26 durch den elektroosmotischen Wassersog bewegt.
Die Differenz (γ – δ) wird mittels
der Gleichungen (1) und (2) berechnet und ist von der durchschnittlichen
Feuchtigkeit Hc der der Kathode 26 zugeführten Luft
abhängig
und ist auch von dem durch den Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten
Laststrom I abhängig.
Die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc an der Kathode 26 kann
geregelt werden, indem die Strömungsrate
der Luft reguliert wird, die von dem Kompressor 48 der Kathode 26 zugeführt wird.
Wenn die Strömungsrate der
der Kathode 26 zugeführten
Luft erhöht
wird, werden das an der Kathode 26 erzeugte Wasser und
das Abgas effizient zur Außenseite
abgegeben. Daher nimmt die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc ab. Wenn
die Strömungsrate
der der Kathode 26 zugeführten Luft gesenkt wird, wird
das Wasser nicht glattgängig
zur Außenseite
abgegeben. Daher nimmt die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc zu.
3 ist eine Ansicht mit Darstellung
einer Beziehung zwischen der Stöchiometrie
Sc an der Kathode 26 und der Feuchtigkeit an der Anode 24 (Anodenfeuchtigkeit
Ha), wenn ein Laststrom I1 erzeugt wird. Die Stöchiometrie Sc an der Kathode 26 wird auf
der Basis der der Kathode 26 zugeführten Luftmenge berechnet (die
der Kathode 26 zugeführte Luftmenge/die
durch Stromerzeugung verbrauchte Sauerstoffmenge in der Luft). Die
durchschnittliche Feuchtigkeit Hain am Einlass der Anode 24 und
die durchschnittliche Feuchtigkeit Haout am Auslass der Anode 24 werden
als die Anodenfeuchtigkeit Ha verwendet.
4 ist eine Ansicht mit Darstellung
einer anderen Beziehung zwischen der Stöchiometrie Sc an der Kathode 26 und
der Feuchtigkeit an der Anode (Anodenfeuchtigkeit Ha), wenn ein
Laststrom I2 erzeugt wird. Der Wert des Laststroms I2 ist größer als der
Wert des Laststroms I1. Ähnlich
werden die durchschnittliche Feuchtigkeit Hain am Einlass der Anode 24 und
die durchschnittliche Feuchtigkeit Haout am Auslass der Anode 24 als
die Anodenfeuchtigkeit Ha verwendet.
Der
Strömungsratenregler 56 verwendet
z.B. die in den 3 und 4 gezeigten Beziehungen,
die als Nachschlagetabelle gespeichert sind, zum Ansteuern des Kompressors 48.
Insbesondere steuert der Strömungsratenregler 26 den
Kompressor 48 auf der Basis des Werts des Laststroms I,
der durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmt ist, sowie
der durchschnittlichen Feuchtigkeit des Wasserstoffgases an der
Anode 24 (Anodenfeuchtigkeit Ha), die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasst
ist. Der Kompressor 48 reguliert die Strömungsrate
der der Kathode 26 zugeführten Luft derart, dass die
Stöchiometrie
Sc einen vorbestimmten Wert hat, um die Anodenfeuchtigkeit Ha innerhalb
eines vorbestimmten gewünschten
Bereichs (z.B. 70 bis 80 %) kleiner als 100 % zu halten. Sowohl
die Kathode 26 als auch die Anode 24 des Brennstoffzellenstapels 22 werden durch
das der Kathode 26 zugeführte Wasser ausreichend befeuchtet.
Demzufolge kann der Brennstoffzellenstapel 26 die Stromerzeugung
effizient ausführen.
Die
Strömungsrate
der der Kathode 26 zugeführten Luft wird derart reguliert,
dass die Kathodenstöchiometrie
SC einen ausreichenden Wert hat, um zu ermöglichen, dass der Brennstoffzellenstapel 22 den
erforderlichen Laststrom I erzeugt. Gleichzeitig wird die Kathodenstöchiometrie
SC derart reguliert, dass die Anodenfeuchtigkeit Ha einen hohen
Wert, um die zum Antrieb des Kompressors 48 benötigte elektrische
Energie zu minimieren. Somit wird die in dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugte
elektrische Energie nicht verschwenderisch verbraucht.
5 ist eine Ansicht mit Darstellung
eines Brennstoffzellensystems 70 gemäß einer zweiten Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Die Bauteile, die mit jenen des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 20 identisch
sind, sind mit der gleichen Bezugszahl markiert, und eine Beschreibung
davon wird weggelassen.
Das
Brennstoffzellensystem 70 hat eine Bypasspassage 72 zum
Abführen
des Abgases von dem Auslass der Kathode 26 des Brennstoffzellenstapels 22,
ohne durch den Befeuchter 52 hindurchzutreten. Ein Schaltventil 74 ist
in der Bypasspassage 72 angeordnet. Das Schaltventil 74 wird
durch einen Ventilregler 76 auf der Basis der von dem Feuchtigkeitssensor 42 erfassten
durchschnittlichen Feuchtigkeit des Wasserstoffgases (Anodenfeuchtigkeit
Ha) und des Laststroms I geöffnet
oder geschlossen. Der Strömungsratenregler 78 reguliert
die Strömungsrate
der Luft durch Regeln des Kompressors 48, um den gewünschten
Pegel der Kathodenstöchiometrie
SC zu erreichen, der ausreicht, um den durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmten
Laststrom I zu erzeugen.
In
dem Brennstoffzellensystem 70 wird der Ventilregler 74 derart
angesteuert, dass die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasste
durchschnittliche Feuchtigkeit des Wasserstoffgases (Anodenfeuchtigkeit
Ha) in einem vorbestimmten gewünschten
Bereich gehalten wird (z.B. 60 bis 70 %).
Insbesondere
wenn die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasste Anodenfeuchtigkeit
Ha zunimmt, öffnet
der Ventilregler 26 das Schaltventil 74 zum direkten
Abgeben des Abgases zur Außenseite, d.h.
durch die Bypasspassage 72. Das an der Kathode 26 erzeugte
Wasser wird glattgängig
zur Außenseite
abgegeben und daher nimmt die Feuchtigkeit an der Kathode 26 ab.
Demzufolge nimmt die von der Kathode 26 zur Anode 24 diffundierte
Wassermenge ab, und die Anodenfeuchtigkeit Ha wird auf den Optimalwert
reguliert, um Wasserkondensation zu verhindern. Wenn die Anodenfeuchtigkeit
Ha unter einen vorbestimmten Wert abnimmt, wird das Schaltventil 74 geschlossen
und das von der Kathode 26 abgegebene Abgas wird dem Befeuchter 52 zugeführt. Der Befeuchter 52 verwendet
das Wasser in dem Abgas, um die der Kathode 26 zugeführte Luft
zu befeuchten. Das Wasser wird von der Kathode 26 zur Anode 24 diffundiert.
Auf diese Weise wird die Anodenfeuchtigkeit Ha in dem gewünschten
Bereich gehalten.
Wie
oben beschrieben, wird der Ventilregler 76 dazu verwendet,
das Schaltventil 74 zu öffnen oder
zu schließen.
Der Öffnungsgrad
des Schaltventils 74 kann in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit
des Wasserstoffgases eingestellt werden, und das Verhältnis des
durch den Befeuchter 52 tretenden Abgases und des durch
die Bypasspassage 72 tretenden Abgases kann eingestellt
werden.
In
den ersten und zweiten Ausführungen
wird der mit der Zirkulationspassage 40 verbundene Feuchtigkeitssensor 42 verwendet,
um die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases direkt zu erfassen. Die Strömungsrate
der Luft wird auf der Basis des erfassten Werts reguliert. In einer
alternativen Ausführung kann
die Feuchtigkeit an der Anode 24 ohne den Feuchtigkeitssensor 42 reguliert
werden, sodass Wasserkondensation nicht auftritt.
Insbesondere
wird bei jedem möglichen Laststrompegel
(z.B. mit einem Intervall von 0,1 A) die Stromerzeugungsleistung
des Brennstoffzellenstapels 22 gemessen, indem verschiedene
Bedingungen verändert
werden, wie etwa die Feuchtigkeit an der Anode 24, die
Feuchtigkeit an der Kathode 26 (die der Kathode 26 zugeführte Wassermenge),
der Druck, die Strömungsrate
und die Temperatur des Wasserstoffgases und der Luft zum Bestimmen
der optimalen Bedingungen zum zuverlässigen Ausführen der effizienten Stromerzeugung,
ohne Wasserkondensation). Es wird nämlich die optimale Stromerzeugungsbedingung
in Abhängigkeit
vom Pegel des Laststroms bestimmt. Die Datentabelle der optimalen
Stromerzeugungsbedingung (Beziehung zwischen dem gemessenen Druck,
der Strömungsrate, Temperatur
und den optimalen Steuer/Regelwerten) wird benutzt, um die Steuerwerte
ohne Erfassung der Feuchtigkeit zu bestimmen, um den Brennstoffzellenstapel 22 zu
steuern/zu regeln, um die optimale Stromerzeugung auszuführen.
Die
optimale Stromerzeugungsbedingung während der signifikanten Änderung
des Laststroms wird ebenfalls bestimmt. Z.B. werden die Beziehungen
zwischen dem gemessenen Druck, der Strömungsrate, der Temperatur und
der Änderung
der optimalen Steuerwerte pro Zeiteinheit programmiert, und der
Brennstoffzellenstapel 22 wird entsprechend dem Programm
angesteuert, um die optimale Stromerzeugung auszuführen.
6 ist eine Ansicht mit Darstellung
eines Brennstoffzellensystems 80 gemäß einer dritten Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 80 hat
im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das Brennstoffzellensystem 20 gemäß der ersten
Ausführung,
unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 20 aber
darin, dass das Brennstoffzellensystem 20 nicht den in 1 gezeigten Feuchtigkeitssensor 42 enthält. Die
Bauteile, die mit jenen des in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems 20 identisch sind, sind mit der
gleichen Bezugszahl markiert, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
Der
Anodenfeuchtigkeitsregler 82 verwendet eine Datentabelle
zum Steuern/Regeln der Feuchtigkeit an der Anode 24. Die
Datentabelle enthält
eine Beziehung zwischen dem Pegel des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmten
Laststroms und der durch den Strömungsratenregler 56 bestimmten
erforderlichen Luftströmungsrate,
den Druck und der Temperatur der Luft und des Wasserstoffgases oder dgl.,
d.h. die optimale Betriebsbedingung, in der Wasserkondensation an
der Anode 24 nicht auftritt. Parameter wie etwa der Druck
und die Temperatur können
durch Sensoren an dem Brennstoffzellensystem 80 erhalten
werden.
Nachdem
der gewünschte
Laststrom bestimmt ist, liefert der Anodenfeuchtigkeitsregler 82 gemäß der Datentabelle
Strömungsratendaten
der Luft, die keine Wasserkondensation hervorrufen, zu dem Strömungsratenregler 56 zum
Betreiben des Kompressors 48, und liefert die Strömungsratendaten
des Wasserstoffgases, die keine Wasserkondensation hervorrufen,
zu dem Pumpenregler 84 zum Betreiben der Pumpe 38.
Auf diese Weise kann der Brennstoffzellenstapel 22 den
effizienten Betrieb stabil ausführen.
7 ist eine Ansicht einer
Darstellung eines Brennstoffzellensystems 90 gemäß einer
vierten Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 90 hat
im Wesentlichen die gleiche Struktur wie das Brennstoffzellensystem 70 der
zweiten Ausführung,
unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 70 jedoch
darin, dass das Brennstoffzellensystem 90 nicht den in 5 gezeigten Feuchtigkeitssensor 42 enthält. Die
Bauteile, die mit jenen des in 5 gezeigten
Brennstoffzellensystems 70 identisch sind, sind mit den
gleichen Bezugszahlen markiert, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
Der
Anodenfeuchtigkeitsregler 92 verwendet eine Datentabelle
zum Steuern/Regeln der Feuchtigkeit an der Anode 24. Die
Datentabelle enthält
eine Beziehung zwischen dem Pegel des von der laststromsetzeinheit 60 bestimmten
Laststroms und dem durch den Ventilregler 76 bestimmten
Schaltzyklus des Schaltventils 74, der erforderlichen Strömungsrate
des Wasserstoffgases, die durch den Pumpenregler 94 zum
Steuern/Regeln der Pumpe 38 bestimmt ist, sowie dem Druck
und der Temperatur der Luft und des Wasserstoffgases oder dgl.,
d.h. die optimale Betriebsbedingung, in der Wasserkondensation an
der Anode 24 nicht auftritt. Z.B. wird der Parameter des
Schaltzyklus durch den Ventilregler 76 auf der Basis der
erforderlichen Feuchtigkeit an der Kathode 26 bestimmt.
Die Feuchtigkeit an der Kathode 26 wird durch Zuführen der
Luft zu dem Befeuchter 52 reguliert.
Nachdem
der gewünschte
Laststrom bestimmt ist, liefert, gemäß der Datentabelle, der Anodenfeuchtigkeitsregler 92 die
Daten des Schaltzyklus, die keine Wasserkondensation an dem Ventilregler 76 hervorrufen,
um das Schaltventil 74 zu öffnen und zu schließen, und
liefert die Strömungsratendaten
des Wasserstoffgases zu dem Pumpenregler 94 zum Betreiben
der Pumpe 38. Somit kann der Brennstoffzellenstapel 22 die
stabile Stromerzeugung ausführen.
Wie
oben beschrieben, wird in den ersten bis vierten Ausführungen
das an der Kathode 26 bei der Stromerzeugung erzeugte Wasser
zu der Anode 24 hin diffundiert. Das Wasserstoffgas wird
ausreichend befeuchtet, ohne Wasserkondensation hervorzurufen. Somit
kann der Brennstoffzellenstapel 22 die Stromerzeugung in
der optimierten Betriebsbedingung ausführen. Die der Last zugeführte elektrische Energie
kann effizient erzeugt werden.
Obwohl
das Wasser zu der Anode 24 diffundiert wird, um das Wasserstoffgas
zu befeuchten, tritt an der Anode 24 keine Wasserkondensation
auf. Es ist nicht erforderlich, das überschüssige Wasser von der Anodenseite
zusammen mit dem Wasserstoffgas abzuführen. Somit wird das Wasserstoffgas
in der Stromerzeugung effizient genutzt.
Als
der Feuchtigkeitssensor 42 wird ein Feuchtigkeitsmesser
oder ein Taupunktmesser verwendet. Wenn der Taupunktmesser verwendet
wird, dann wird der gemessene Taupunkt in den Wert der Feuchtigkeit
geeignet umgewandelt, da der Taupunkt und die relative Feuchtigkeit
in direkter Beziehung stehen. Gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es auch bevorzugt, dass der Taupunkt an der Anode 24 auf
der Basis des durch den Feuchtigkeitssensor 42 erhaltenen
Erfassungswert reguliert wird.
Ein
Feuchtigkeitssensor (42) ist in einer Zirkulationspassage
(40) als Passage von Wasserstoffgas, das einer Anode (24)
eines Brennstoffzellenstapels (22) zugeführt wird,
angeordnet. Eine Laststromsetzeinheit (60) bestimmt einen
Pegel des einer Last zugeführten
elektrischen Stroms. Ein Strömungsratenregler
(56) steuert/regelt einen Kompressor (48) auf
der Basis der durch den Feuchtigkeitssensor (42) erfassten
Feuchtigkeit und des durch die Laststromsetzeinheit (60)
erfassten Laststroms, um eine Strömungsrate der einer Kathode
(26) des Brennstoffzellenstapels (22) zugeführten Luft
zu regulieren, um die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases innerhalb
eines vorbestimmten Bereichs von weniger als 100 % zu halten. Der
Brennstoffzellenstapel (22) erzeugt den Laststrom effizient,
ohne das Wasserstoffgas zur Außenseite
abzugeben.