DE102004015606A1 - Brennstoffzellen-System und Fahrzeug mit darin eingebautem Brennstoffzellen-System - Google Patents

Brennstoffzellen-System und Fahrzeug mit darin eingebautem Brennstoffzellen-System Download PDF

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Haruyuki Toyota Nakanishi
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Abstract

Das Brennstoffzellen-System der Erfindung enhält ein röhrenförmiges Schaltelement 70 mit Spalten 70a, das deren Stellung verändert, wodurch der Öffnungsbereich der Auslässe von Oxidationsgasleitungen 36 in einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30, die einen Brennstoffzellen-Stapel 20 bilden, variiert wird. Das System umfaßt ferner eine Antriebswalze 74 und einen Schrittmotor 79, die dazu dienen, die Stellung der Spalten 70a zu verändern. Eine elektronische Steuereinheit steuert die Drehung des Schrittmotors 79, so daß er das röhrenförmige Schaltelement 70 zuerst so betätigt, daß der Öffnungsbereich der Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 auf Null oder in Richtung Null verengt wird und daß anschließend der Öffnungsbereich der Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 erweitert wird, wodurch in den Oxidationsgasleitungen 36 ein Stoß erzeugt wird. Wassertröpfchen, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen haben, werden auf diese Weise mit hohem Wirkungsgrad zu den Auslässen geleitet. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keine Umgehungsleitung in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30. Für den kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird der Rahmen einer Brennstoffzellen-Einheit 30 verwendet, die den bereits vorhandenen entspricht, und der Brennstoffzellen-Stapel 20 wird nicht wesentlich vergrößert.

Description

  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System und ein Fahrzeug mit diesem Brennstoffzellen-System. Genauer betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellen-System, das eine Brennstoffzelle einschließt, die Strom erzeugt, und zwar durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, und Wasserstoff, der in einem gasförmigen Brennstoff enthalten ist, der durch eine an der Anodenseite bereitgestellte Brenngasleitung strömt, sowie ein Fahrzeug, in dem das Brennstoffzellen-System installiert ist.
  • Ein bekanntes Brennstoffzellen-System umfaßt: Brennstoffzellen, die Strom erzeugen, und zwar durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite jeder Elektrolytmembran bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, mit Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durch eine an der Anodenseite der Elektrolytmembran bereitgestellte Brenngasleitung strömt; Umgehungsleitungen, die parallel zu den Gasleitungen in den einzelnen Brennstoffzellen angeordnet sind; und Druckschaltventile, die jeweils in den Umgehungsleitungen angeordnet sind und einen Ventilteller aufweisen, der im Normalzustand von einer Feder in die Schließstellung gedrückt wird (siehe beispielsweise 1 von Patent Application Gazette No 2002-151113). Wenn Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, den ungehinderten Gasstrom in der Gasleitung stören, übersteigt in diesem Brennstoffzellen-System des Standes der Technik die Kraft, die auf den Druckunterschied zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck der Gasleitung zurückgeht, die Federkraft des Druckschaltventils, so daß das Druckschaltventil sich öffnet. Das Gas strömt dann vom Einlaß der Gasleitung durch die Umgehungsleitung zum Auslaß der Gasleitung. Dadurch nimmt der Druckunterschied zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruck allmählich ab, bis das Druckschaltventil sich schließlich wieder schließt. Durch die wiederholte Auf- und Zubewegung des Ventils werden die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, hinaus befördert.
  • Dieser Aufbau des Standes der Technik erfordert in jeder Brennstoffzelle eine Umgehungsleitung zusätzlich zur Gasleitung und vergrößert dadurch leider die Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-System. Wenn Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, den ungehinderten Gasstrom in der Gasleitung stören, öffnet sich in diesem Brennstoffzellen-System das Druckschaltventil, damit das Gas durch die Umgehungsleitung strömt. Das Druckschaltventil schließt sich als Antwort auf einen Abfall des Eingangsdrucks. Der erhöhte Eingangsdruck wird einfach dadurch gesenkt, daß das Gas durch die Umgehungsleitung strömt. In dieser Anordnung werden die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, nicht effizient zum Auslaß geführt.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Angesichts der Nachteile des oben erörterten Verfahrens des Standes der Technik ist es das Ziel dieser Erfindung, ein Brennstoffzellen-System bereitstellen, das Wassertröpfchen, die sich in Gasleitungen niedergeschlagen haben, nach draußen befördert, ohne das Brennstoffzellen-System zu vergrößern. Ziel der Erfindung ist es auch, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das Wassertröpfchen, die sich in Gasleitungen niedergeschlagen haben, effizient nach draußen befördert. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fahrzeugs, in dem solch ein Brennstoffzellen-System installiert ist.
  • Ein erstes Brennstoffzellen-System der vorliegenden Erfindung ist ein System, das folgendes beinhaltet: eine Brennstoffzelle, die elektrischen Strom erzeugt, und zwar durch eine elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das in einer an der Kathodenseite bereitgestellten Oxidationsgasleitung strömt, und Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durch eine an der Anodenseite bereitgestellte Brenngasleitung strömt; ein Schaltelement, das den Auslaß mindestens einer von der Oxidationsgasleitung und der Brenngasleitung öffnet und schließt; und ein Betätigungsmodul, das dieses Schaltelement so betätigt, daß es den Auslaß der mindestens einen Gasleitung öffnet und schließt.
  • Im Brennstoffzellen-System der Erfindung betätigt das Betätigungsmodul das Schaltelement, um den Auslaß der Gasleitung zu öffnen und zu schließen. Diese Anordnung zeigt ein gutes Antwortverhalten beim Steuern des Innendrucks der Gasleitung und gewährleistet, daß die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, effizient zum Auslaß befördert werden. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keinerlei Umgehungsleitung, im Gegensatz zum Aufbau des genannten Patentdokuments 1. Für den kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Rahmen verwendet, der dem der bereits existierenden Brennstoffzellen entspricht und der das Brennstoffzellen-System nicht nennenswert vergrößert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Brennstoffzellen-System: einen Brennstoffzellen-Stapel, der aus einer Anzahl von übereinander geschichteten Brennstoffzellen besteht; und ein Abgassammelrohr, das mit dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung verbunden ist, die in jeder der Brennstoffzellen enthalten ist, und ein Schaltelement, das in diesem Abgassammelrohr angeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet die effiziente Ableitung von Wassertröpfchen, die sich in den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen niedergeschlagen haben, aus denen der Brennstoffzellen-Stapel besteht. Das Schaltelement ist im vorhandenen Abgassammel rohr angeordnet und vergrößert die Brennstoffzelle daher nicht. Bei dem Abgassammelrohr kann es sich um ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr handeln, das mit den Auslässen der einzelnen Oxidationsgasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellen enthalten sind, oder um ein Brenngas-Abgassammelrohr, das mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellen enthalten sind. In einem Anwendungsbeispiel dieser Ausführungsform kann der Brennstoffzellen-Stapel in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke unterteilt sein, wobei jeder der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke mehrere Brennstoffzellen enthält, kann in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr bereitgestellt sein und mit den Auslässen der einzelnen Oxidationsgasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbunden sein, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind, und kann in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke ein Brenngas-Abgassammelrohr bereitgestellt sein und mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbunden sein, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind. Die einzelnen zum Brennstoffzellen-Stapel geschichteten Brennstoffzellen enthalten häufig unterschiedliche Wassermengen. In diesem Anwendungsbeispiel ist der Brennstoffzellen-Stapel somit in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke unterteilt, und aus jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke kann das enthaltene Wasser hinaus befördert werden.
  • In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung weist das Schaltelement im Brennstoffzellen-System einen Spalt auf, und wenn ein anderer Bereich des Schaltelements als der Spalt gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung angeordnet wird, wird der Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses auf Null oder auf nahezu Null verengt, während dann, wenn der Spalt des Schaltelements gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung angeordnet wird, der Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses erweitert wird. Durch das einfache Wechseln der Lagebeziehung zwischen dem Spalt, der im Schaltelement ausgebildet ist, und dem Gasleitungsauslaß wird ein Stoß in der Gasleitung erzeugt. Die Merkmale der Erfindung werden somit von diesem relativ einfachen Aufbau verwirklicht. Als eine Modifikation dieses Anwendungsbeispiels kann es sich bei dem Schaltelement um ein röhrenförmiges Schaltelement handeln, dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar in einem Abgassammelrohr angeordnet ist, das mit dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung verbunden ist. Die Lagebeziehung zwischen dem Spalt des Schaltelements und dem Auslaß der Gasleitung kann durch eine relativ einfache Drehbetätigung des röhrenförmigen Schaltelements verändert werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Brennstoffzellen-System ferner ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Schaltelement so betätigt, daß es zuerst den Öffnungsbereich des Auslasses der mindestens einen Gasleitung auf Null oder nahezu Null verengt, und dann den Öffnungsbereich des Auslasses der Gasleitung erweitert, wodurch in der Gasleitung ein Stoß erzeugt wird. Bei dieser Vorgehensweise wird der Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses zuerst auf Null oder nahezu Null verengt, um den Innendruck der Gasleitung zu erhöhen, und anschließend wird der Öffnungsbereich erweitert. Das unter Druck gesetzte Gas strömt auf diese Weise kraftvoll durch die Gasleitung. Dieser in der Gasleitung erzeugte Stoß drückt die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, wirkungsvoll zum Auslaß.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellen-Systems der Erfindung, welches ein Betätigungssteuerungsmodul aufweist, steuert das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul so, daß ein Stoß in der mindestens einen Gasleitung je nach dem Zustand des Wasserniederschlags in der Gasleitung erzeugt wird. Diese Anordnung stellt eine angemessene Ableitung von Wassertröpfchen sicher, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Der „Zustand des Wasserniederschlags" kann als Antwort auf ein Erfassungssignal von einem Meßfühler bestimmt werden, welcher die Wassertröpfchen erfaßt, die sich aktuell in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Bei einer anderen geeigneten Vorgehensweise wird eine physikalische Größe (beispielsweise die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder der Ausgangsleistungsstatus) der Brennstoffzelle gemessen, wenn ein Niederschlag von Wassertröpfchen in der Gasleitung gegeben ist, und der „Zustand des Wasserniederschlags" wird aufgrund der beobachteten physikalischen Größe bestimmt.
  • In einem weiteren bevorzugten Anwendungsbeispiel für das Brennstoffzellen-System der Erfindung, welches ein Betätigungssteuerungsmodul aufweist, steuert das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul, um entweder dann, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Ausgangsleistungsniveau überschreitet oder wenn die Höhe der Integralleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Leistungsniveau überschreitet, einen Stoß in der mindestens einen Gasleitung zu erzeugen. Diese Anordnung erzeugt eine effiziente Stoß in der Gasleitung und bewirkt eine angemessene Ableitung der Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, wenn eine hohe Ausgangsleistung der Brennstoffzelle oder eine hohe Integralleistung der Brennstoffzelle gegeben ist, die häufig zu einem Niederschlag von Wassertröpfchen in der Gasleitung führt. Hier können das "vorgegebene Ausgangsleistungsniveau" und das "vorgegebene Leistungsniveau" gemäß der Höhe der Ausgangsleistung und der Integralleistung der Brennstoffzelle unter Bedingungen eines Niederschlags von Wassertröpfchen in der Gasleitung eingestellt werden. Das Betätigungssteuerungsmodul kann das Betätigungsmoduls so steuern, daß es einen Stoß in der mindestens einen Gasleitung erzeugt, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle das vorgegebene Ausgangsleistungsniveau überschreitet und wenn die der Höhe der Integralleistung der Brennstoffzelle das vorgegebene Leistungsniveau überschreitet.
  • Als eine Modifikation kann das Brennstoffzellen-System der Erfindung mit dem Betätigungssteuerungsmodul ferner ein Speichermodul enthalten, welches das Ausgangsleistungsverhalten der Brennstoffzelle speichert, wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlag in der mindestens einen Gasleitung gegeben ist. Das Betätigungssteuerungsmodul steuert das Betätigungsmodul, um einen Stoß in der Gasleitung zu erzeugen, wenn das beobachtete Ausgangsleistungsverhalten einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle im wesentlichen mit dem im Speichermodul gespeicherten Ausgangsleistungsverhalten übereinstimmt. Bei dieser Vorgehensweise wird das Ausgangsleistungsverhalten der Brennstoffzelle bei gegebenem Wassertröpfchen-Niederschlag in der Gasleitung (beispielsweise eine Zeitvariation der Ausgabespannung) mit dem beobachteten Ausgangsleistungsverhalten einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle verglichen, und es wird demgemäß festgestellt, ob ein Niederschlag von Wassertröpfchen in der Gasleitung gegeben ist.
  • In einem weiteren bevorzugten Anwendungsbeispiel für das Brennstoffzellen-System der Erfindung, welches ein Betätigungssteuerungsmodul aufweist, steuert das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul, um in regelmäßigen Abständen einen Stoß in der mindestens einen Gasleitung zu erzeugen. Diese relativ einfache Steuerung bewirkt eine wirksame Ableitung der Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Hier kann ein "regelmäßiger Abstand" jeder vorgegebene Zeitraum für den Niederschlag von Wassertröpfchen in der Gasleitung während des Betriebs der Brennstoffzelle sein, der empirisch bestimmt wird.
  • Ein zweites Brennstoffzellen-System der vorliegenden Erfindung ist ein System, das folgendes umfaßt: eine Brennstoffzelle, die elektrischen Strom erzeugt, und zwar durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, mit Wasserstoff, der in einem gasförmigen Brennstoff enthalten ist, der durch eine an der Anodenseite bereitgestellte Brenngasleitung strömt; einen Brennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Anzahl von übereinander geschichteten Brennstoffzellen handelt und der in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke aufgeteilt ist, wobei jeder Brennstoffzellen-Block mehrere Brennstoffzellen einschließt; Oxidationsgas-Abgassammelrohre, von denen jedes mit den Ausgängen der einzelnen Oxidationsgasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Brennstoff-Abgassammelrohre, von denen jedes mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Regulierungsmodule, von denen jedes einen Auslaßöffnungsbereich mindestens eines von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brennstoff-Abgassammelrohr in jedem Brennstoffzellen-Block reguliert; und ein Betätigungsmodul, das die Regulierungsmodule betätigt.
  • Dieses Brennstoffzellen-System der Erfindung reguliert den Öffnungsbereich mindestens eines von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brenngas-Abgassammelrohr in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke. Die einzelnen zum Brennstoffzellen-Stapel geschichteten Brennstoffzellen enthalten häufig unterschiedliche Wassermengen. In diesem Anwendungsbeispiel ist der Brennstoffzellen-Stapel somit in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke unterteilt, und aus jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke kann das enthaltene Wasser hinaus befördert werden. Die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, werden auf diese Weise effizient zum Auslaß jedes der Brennstoffzellen-Blöcke befördert. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keinerlei Umgehungsleitung, im Gegensatz zum Aufbau des genannten Patentdokuments 1. Für den kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Rahmen verwendet, der dem der bereits existierenden Brennstoffzellen entspricht und der das Brennstoffzellen-System nicht nennenswert vergrößert.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Brennstoffzellen-System weiter: ein Parameter-Meßmodul, das einen Parameters mißt, der sich auf die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; ein Wassermengen-Bestimmungsmodul, welches aufgrund des vom Parameter-Meßmodul gemessenen Parameters die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Regulierungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Wassermengen-Bestimmungsmodul einen zu hohen Wassergehalt aufweist, so betätigt, daß der Auslaßöffnungsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrs größer ist als ein vorgegebener Bezugsbereich. Dadurch wird eine effiziente Ableitung des enthaltenen Wassers, das sich in den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-Block niedergeschlagen hat, sichergestellt. In dieser Ausführungsform kann das Parameter-Meßmodul den Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke messen, und das Wassermengen-Bestimmungsmodul kann bestimmen, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Block einen zu hohen Wassergehalt aufweist, wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks unter einem vorgegebenen geeigneten Bereich liegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das Brennstoffzellen-System ferner: ein Parameter-Meßmodul, das einen Parameter mißt, der sich auf die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; ein Wassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke aufgrund des vom Parameter-Meßmodul gemessenen Parameters bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Regulierungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut dem Wassermengen-Bestimmungsmodul einen ungenügend hohen Wassergehalt aufweist, so betätigt, daß der Auslaßöffnungsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrs kleiner wird als ein vorgegebener Bezugsbereich. Bei dieser Vorgehensweise wird der Öffnungsbereich des Abgassammelrohrs so reguliert, daß er enger wird als der Bezugsbereich, wenn eine Austrocknung des Zellenblocks gegeben ist. Dies bewirkt, daß das Wasser in den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen, die im Brennstoffzellen-Block enthalten sind, zurückgehalten wird, und auf diese Weise wird der Austrocknungszustand wünschenswerterweise beendet. In dieser Ausführungsform kann das Parameter-Meßmodul den Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke messen, und das Wassermengen-Bestimmungsmodul kann bestimmen, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Block einen unzureichend hohen Wassergehalt aufweist, wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks über einem vorgegebenen geeigneten Bereich liegt.
  • In einem Anwendungsbeispiel für die obigen beiden Ausführungsformen enthält das Brennstoffzellen-System ferner ein Blockpositions-Erkennungsmodul, das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt, und das Betätigungssteuerungsmodul erhöht den vorgegebenen Bezugsbereich für das mindestens eine Abgassammelrohr in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Blockpositions-Erkennungsmodul unten angeordnet ist. Der Brennstoffzellen-Block, der sich von den im Brennstoffzellen-Stapel enthaltenen Brennstoffzellen-Blöcken unten befindet, tendiert aufgrund der Schwerkraft zu einem hohen Wassergehalt. Der Bezugsbereich wird somit erweitert, um die Ableitung des Wassers, das in dem unten angeordneten Brennstoffzellen-Block enthalten ist, zu beschleunigen.
  • In einem Fahrzeug der Erfindung ist ein Brennstoffzellen-System mit einer beliebigen der oben genannten Anordnungen eingebaut. Ein Brennstoffzellen-System mit einer beliebigen der oben erörterten Anordnungen erzeugt einen Stoß und drückt die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, zum Auslaß. Ein Fahrzeug, in dem solch ein Brennstoffzellen-System eingebaut ist, hat natürlich Funktionen und Wirkungen, die denen der oben erörterten Brennstoffzellen-Systeme entsprechen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellen-System der ersten Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist;
  • 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellen-Einheit;
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein röhrenförmiges Schaltelement darstellt;
  • 4 zeigt die Lagebeziehung zwischen den Spalten des röhrenförmigen Schaltelements und den Oxidationsgasleitungen;
  • 5 zeigt Querschnittsansichten der Brennstoffzellen-Einheit;
  • 6 ist ein Ablaufschema, das eine Schaltroutine für den Auslaß der Oxidationsgasleitung zeigt;
  • 7 und 8 sind perspektivische Darstellungen, die schematisch ein Schaltelement in einem modifiziertem Aufbau der ersten Ausführungsform darstellen;
  • 9 ist eine perspektivische Darstellung, die schematisch einen Brennstoffzellen-Stapel einer zweiten Ausführungsform darstellt;
  • 10 zeigt Zu- und Abströme von Oxidationsgas und Brenngas in der zweiten Ausführungsform;
  • 11 ist das Blockschema eines Gegendruck-Regelventils der zweiten Ausführungsform;
  • 12 zeigt eine Verbindung mit der elektronischen Steuereinheit der zweiten Ausführungsform;
  • 13 ist eine graphische Darstellung des Innenwiderstands Ri gegen den Wassergehalt in jedem Brennstoffzellen-Block der zweiten Ausführungsform;
  • 14 ist ein Ablaufschema, das eine Wassergehalts-Anpassungsroutine der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 15 ist ein Ablaufschema, das eine Neigungs-Antwortroutine der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 16 ist eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellen-Stapel in einem modifiziertem Aufbau der zweiten Ausführungsform; und
  • 17 ist ein Ablaufschema, das eine Wassergehalts-Anpassungsroutine in einem modifiziertem Aufbau der zweiten Ausführungsform zeigt.
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  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [Erste Ausführungsform]
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren erörtert. 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Fahrzeugs 10, in dem das Brennstoffzellen-System 12 der ersten Ausführungsform der Erfindung eingebaut ist. 2 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellen-Einheit 30. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch ein röhrenförmiges Schaltelement 70 darstellt. 4 zeigt die Lagebeziehung zwischen Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 und Oxidationsgasleitungen 36. 5 zeigt Querschnittsansichten der Brennstoffzellen-Einheit 30.
  • Wie in 1 gezeigt, enthält das Fahrzeug 10 dieser Ausführungsform ein Brennstoffzellen-System 12, einen Betätigungsmechanismus 14, der den elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellen-System 12 geliefert wird, in Antriebskraft umwandelt und der die Antriebsräder 18, 18 über ein Untersetzungsgetriebe 16 mit der Antriebskraft antreibt, und eine elektronische Steuereinheit 80, die das ganze Fahrzeug 10 steuert. Das Brennstoffzellen-System 12 weist einen Brennstoffzellen-Stapel 20 auf, bei dem es sich um einen Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 handelt, die durch elektrochemische Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom erzeugen, Verteilerrohre M1 und M2, um die einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 mit Oxidationsgas und gasförmigem Brennstoff zu versorgen, und Abgassammelrohre M3 und M4, um die Abgase des Oxidationgases und des Brennstoffgases, welche die einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 durchlaufen haben, aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 auszuführen. Das Fahrzeug 10 dieser Ausführungsform enthält ferner ein röhrenförmiges Schaltelement 70 (siehe 3), das im Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 angeordnet ist, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen.
  • Der Brennstoffzellen-Stapel 20 wird dadurch hergestellt, daß man eine Mehrzahl der Brennstoffzellen-Einheiten 30 als Basiseinheiten übereinander stapelt, und aufeinanderfolgend jeweils ein Paar Kollektorplatten 21 und 22, ein Paar Isolierplatten 23 und 24 und ein Paar Endplatten 25 und 26 an den Enden des Stapels aus den Brennstoffzellen-Einheiten 30 anordnet. Die Kollektorplatten 21 und 22 bestehen aus einem gasundurchlässigen elektrisch leitfähigen Material, wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Die Isolierplatten 23 und 24 bestehen aus einem Isoliermaterial wie Gummi oder Harz. Die Endplatten 25 und 26 bestehen aus einem Metall, das Steifigkeit aufweist, beispielsweise aus Stahl. Die Kollektorplatten 21 und 22 weisen jeweils Ausgangsanschlüsse 21a und 22a auf, um die vom Brennstoffzellen-Stapel 20 erzeugte elektromotorische Kraft abzugeben. Ein (nicht gezeigter) Haltemechanismus bewirkt, daß die Endplatten 25 und 26 die einzelnen Einheitszellen 30 unter einem Druck halten, der in Stapelrichtung wirkt.
  • Wie in den 2 und 5 dargestellt, weist jede der Brennstoffzellen-Einheiten 30 eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 34 auf, die eine Anode 32 und eine Kathode 33 enthält, die über der Elektrolytmembran 31 angeordnet sind, sowie ein Paar Separatoren 40, 40, die an beiden Enden der MEA 34 angeordnet sind. Die Elektrolytmembran 31 weist im nassen Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit auf. Eine von Du-Pont hergestellte Nafionmembran wird bevorzugt für die Elektrolytmembran 31 verwendet. Sowohl die Anode 32 als auch die Kathode 33 weisen eine Katalysatorelektrode auf, die Platin oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metall trägt, sowie eine Gasdiffusionselektrode aus Kohletuch, bei dem es sich um eine gewebte Struktur aus Kohlefasern handelt. Die MEA 34 wird durch die Verbindung der Anode 32, der Elektrolytmembran 31 und der Kathode 33 durch Thermokompression erhalten. Jeder der Separatoren 40 besteht aus einem gasundurchlässigen elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus formgepreßtem Kohlenstoff, der dadurch erhalten wird, daß man Kohlenstoff komprimiert, damit er gasundurchlässig wird. Wie in 2 dargestellt, sind eine Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 und eine Oxidationsgas-Abführöffnung 43 durch den Separator 40 etwa mittig an der Oberseite und der Unterseite des Separators 40 ausgebildet. Ebenso sind eine Zuführöffnung 42 für den gasförmigen Brennstoff und eine Abführöffnung 44 für das Brennstoffabgas durch den Separator 40 etwa mittig auf der linken Seite und der rechten Seite des Separators 40 ausgebildet. Ebenso sind kreisförmige Öffnungen 45 bis 48 durch den Separator für die Umwälzung von Kühlwasser an den vier Ecken des Separators 40 ausgebildet. Mehrere Rillen, die von der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 zur Oxidationsgas-Abführöffnung 43 verlaufen, bilden an einer Front des Separators 40 eine Oxidationsgasleitung 36. Ebenso bilden mehrere Rillen, die von der Brenngas-Zuführöffnung 42 zur Brennstoffabgas-Abführöffnung 44 verlaufen, an der anderen Front des Separators 40 eine Brenngasleitung 38.
  • Dichtungen 50 sind zwischen der MEA 34 und den einzelnen Separatoren 40 angeordnet, wie in 2 gezeigt. Die Dichtungen 50 sind entlang der Elektrolytmembran 31 angeordnet, um ein Austreten des gasförmigen Brennstoffs und des Oxidationsgases zu hemmen, und um zu verhindern, daß sich der Oxidationsgasstrom in dem Raum zwischen den Separatoren 40, 40 mit dem Brenngasstrom vermischt. Jede der Dichtungen 50 weist Nuten 51 bis 54 auf, die so angebracht sind, daß sie der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41, der Brenngas-Zuführöffnung 42, der Oxidationsgas-Abführöffnung 43 bzw. der Brenngas-Abführöffnung 44 des Separators gegenüber liegen, kreisförmige Öffnungen 55 bis 58, die so angebracht sind, daß sie den kreisförmigen Öffnungen 45 bzw. 48 gegenüberliegen (in der Darstellung fehlt die kreisförmige Öffnung 55), sowie eine quadratische Öffnung, die so groß gestaltet ist, daß sie die Anode 32 oder die Kathode 33 aufnehmen kann.
  • Unter den Verteilerrohren ist das Oxidationsgas-Verteilerrohr M1 ein Hohlraum, der die Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 des Separators 40 mit der Nut 51 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Die Luft als das Oxidationsgas wird von einem Luftkompressor 60 über ein Stromventil 62 zugeführt, wird von einem nicht dargestellten Befeuchter befeuchtet und strömt in das Oxidationsgas-Verteilerrohr M1. Bei dem Brenngas-Verteilerrohr M2 handelt es sich um einen Hohlraum, der die Brenngas-Zuführöffnung 42 des Separators 40 mit der Nut 52 der Dichtung 50 in der einzelnen Brennstoffzellen-Einheit 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Der gasförmige Wasserstoff als der gasförmige Brennstoff wird von einem Wasserstofftank 64 über ein Stromventil 66 zugeführt, wird von einem nicht dargestellten Befeuchter befeuchtet und strömt in das Brenngas-Verteilerrohr M2. Bei Kühlwasser-Verteilerrohren M5 und M6 handelt es sich jeweils um Hohlräume, welche die ringförmigen Öffnungen 45 und 46 des Separators 40 mit den ringförmigen Öffnungen 55 und 56 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbinden. Ein Strom von Kühlwasser als dem Kühlmittel wird von einer nicht dargestellten Pumpe geliefert und strömt in die Kühlwasser-Verteilerrohre M5 und M6.
  • Unter den Abgassammelrohren ist das Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 ein Hohlraum, der die Oxidationsgas-Abführöffnung 43 des Separators 40 mit der Nut 53 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Das Abgas des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgasleitungen 36 der einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 geströmt ist, wird zusammen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. Das Brennstoff-Abgassammelrohr M4 ist ein Hohlraum, der die Brennstoff-Abgasöffnung 44 des Separators 40 mit der Nut 54 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Das Abgas des gasförmigen Brennstoffs, der durch die Brenngasleitungen 38 der einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 geströmt ist, wird zusammen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. Das Abgas des gasförmigen Brennstoffs enthält immer noch nicht-umgesetzten Wasserstoff und kann daher in das Brenngas-Verteilerrohr M2 rückgeführt werden. Bei Kühlwasser-Abflußsammelrohren M7 bzw. M8 handelt es sich um Hohlräume, welche die kreisförmigen Öffnungen 47 und 48 des Separators 40 mit den kreisförmigen Öffnungen 57 und 58 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbinden. Der heiße Strom des Kühlwassers, das durch Kühlwasserleitungen geströmt ist, die in (nicht gezeigten) Kühlwasserseparatoren ausgebildet sind, die in Abständen von mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 im Brennstoffzellen-Stapel 20 angeordnet sind, wird zusammen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. Der heiße Kühlwasserstrom wird mittels eines nicht dargestellten Radiators abgekühlt und strömt in die Kühlwasser-Verteilerrohre M5 und M6 zurück.
  • Wie in den 3 und 4 dargestellt, handelt es sich bei dem röhrenförmigen Schaltelement 70 um ein Gurtelement, das in elliptischer Röhrenform zwischen einer Antriebswalze 74 und einer angetriebenen Walze 76, die an beiden Enden im Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 angeordnet sind, gespannt ist. Bei dem röhrenförmigen Schaltelement 70 handelt es sich um eine dünne Metallplatte oder eine dünne Harzplatte, die mehrere Spalten 70a, 70a ... aufweist, die so angeordnet sind, daß sie den Auslässen der einzelnen Oxidationsgasleitungen 36 zugeordnet werden können. Die Antriebswalze 74 wird von einem Schrittmotor 79 angetrieben und gedreht, der als Betätigungsmodul dient, das an der Außenseite der Endplatte 25 des Brennstoffzellen-Stapels 20 angebracht ist. (Nicht gezeigte) Zahnkränze sitzen auf der Antriebswalze 74 und der angetriebenen Walze 76. Wenn sich die Walzen 74 und 76 jeweils drehen, greifen die Zähne der Zahnkränze nacheinander in (nicht gezeigte) Führungsöffnungen, die in dem röhrenförmigen Schaltelement 70 ausgebildet sind, und bewegen dadurch das röhrenförmige Schaltelement 70 in Drehrichtung. Daher kommt es nicht zu einem Rutschen des röhrenförmigen Schaltelements 70 in Bezug auf die Walzen 74 bzw. 76. Die Drehung des röhrenförmigen Schaltelements 70 durch die Antriebswalze 74 legt die Spalten 70a, 70a ... in Positionen fest, in denen sie den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen (sieh 4(a) und 5(a)). Die Drehung des röhrenförmigen Schaltelements 70 durch die Antriebswalze 74 legt alternativ die Spalten 70a, 70a ... in Positionen fest, in denen sie den Vorsprüngen 37 gegenüber liegen, welche benachbarte Oxidationsgasleitungen 36, 36, teilen, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen (siehe 4(b) und 5(b)). Der vom röhrenförmigen Schaltelement 70 umschlossene Innenraum hat im wesentlichen dieselbe Größe wie das Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3.
  • Der Betätigungsmechanismus 14 (siehe 1) weist einen Stromwandler auf, um den vom Brennstoffzellen-Stapel 20 erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, und einen Zugmotor, der durch den umgewandelten Wechselstrom angetrieben und gedreht wird, obwohl nicht im Einzelnen dargestellt.
  • Zurück zu 1: die elektronische Steuereinheit 80 ist als Mikroprozessor aufgebaut, der eine CPU 82, einen ROM 84, der Verarbeitungsprogramme speichert, einen RAM 86, der Daten vorübergehend speichert, und einen (nicht gezeigten) Eingangs/Ausgangs-Port enthält. Die elektronische Steuereinheit 80 empfängt über den Eingangsport als Eingangssignale ein Pedalöffnungssignal AP, das von einem (nicht gezeigten) Gaspedalsensor ausgeht, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V, das von einem (nicht gezeigten) Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgeht, und ein Eingangs-/Ausgangsspannungs-Signal des Stromwandlers, der im Betätigungsmechanismus 14 enthalten ist. Die elektronische Steuereinheit 80 gibt über ihren Ausgangsport Steuersignale an das Stromventil 62 aus, um den Luftstrom zu regulieren, und an das Stromventil 66, um den Wasserstoffstrom zu regulieren, ebenso wie Steuersignale an den Schrittmotor 79 und den Stromwandler und den Zugmotor, die im Betätigungsmechanismus 14 enthalten sind.
  • Im folgenden werden die Wirkungsweisen im Fahrzeug 10 der wie oben aufgebauten Ausführungsform beschrieben, insbesondere die Wirkungsweise beim Entfernen von Wassertröpfchen, die sich in den Gasleitungen niedergeschlagen haben, bei fahrendem Fahrzeug 10. Im Ausgangszustand sind die Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 in Positionen angeordnet, in denen sie die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 öffnen, das heißt, in Positionen, in denen sie den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen (siehe 4(a) und (b)). 6 ist ein Ablaufschema, das eine Schaltroutine für den Auslaß der Oxidationsgasleitung zeigt, die von der CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 ausgeführt wird. Diese Routine ist im ROM 84 hinterlegt und wird von der CPU 82 in voreingestellten Zeitintervallen wiederholt (beispielsweise alle paar ms). Wenn diese Routine gestartet wird, bestimmt die CPU 82 zuerst, ob ein Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 oder 1 gesetzt ist (Schritt S100). Das Auslaß-Schließ-Flag wird auf 1 gesetzt, wenn sich das röhrenförmige Schaltelement 70 in Schließstellung befindet, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen, und wird auf 0 zurückgesetzt, wenn sich das röhrenförmige Schaltelement 70 in der Öffnungsstellung befindet, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen. In den Anfangseinstellungen wird das Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 zurückgesetzt. Wenn in Schritt S100 bestimmt wird, daß das Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 gesetzt ist, bestimmt die CPU 82 anschließend, ob derzeit eine zeitliche Auslaß-Schließsteuerung durchgeführt wird (Schritt S110). Hier läuft jedes Mal eine Auslaß-Schließsteuerung ab, wenn ein bestimmter Zeitraum vergangen ist. Dieser bestimmte Zeitraum wird durch aktuelles Messen der Zeit bestimmt, die vergeht, bis sich Wassertröpfchen in den Gasleitungen 36 niederschlagen, während der Brennstoffzellen-Stapel 20 in Betrieb ist. Wenn gerade keine zeitliche Auslaß-Schließsteuerung durchgeführt wird, wird diese Routine sofort beendet. Wenn dagegen gerade eine zeitliche Auslaß-Schließsteuerung durchgeführt wird, steuert die CPU 82 die Drehung des Schrittmotors 79 und bewirkt, daß die Antriebswalze 74 das röhrenförmige Schaltelement 70 so dreht, daß die Spalten 70a in Positionen angehalten werden, in denen sie den Vorsprüngen 37, die benachbarte Gasleitungen 36, 36 trennen, gegenüberliegen, das heißt, so, daß die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 mit den übrigen Bereichen außer den Spalten 70a verschlossen werden (siehe 4(a) und 5(a)) (Schritt S120). Dann setzt die CPU 82 das Auslaß-Schließ-Flag F auf 1 (Schritt S130) und verläßt diese Routine.
  • Wenn in Schritt S100 bestimmt wird, daß das Auslaß-Schließ-Flag F auf 1 gesetzt ist, wurden die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 bereits verschlossen, um den Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 zu erhöhen. In diesem Fall bestimmt die CPU 82 anschließend, ob seit dem vorhergehenden Setzen des Auslaß-Schließ-Flags F auf 1 eine voreingestellte Schließzeit vergangen ist (Schritt S140). Wenn die voreingestellte Schließzeit noch nicht vergangen ist, wird die Routine sofort beendet. Wenn andererseits die voreingestellte Schließzeit abgelaufen ist, wird angenommen, daß der Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 auf einen bestimmten Wert gestiegen ist. Die CPU 82 steuert demgemäß die Drehung des Schrittmotors 70 und bewirkt, daß die Antriebswalze 74 das röhrenförmige Schaltelement 70 so dreht, daß es die Spalten 70a in Positionen anhält, in denen sie den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen, das heißt so, daß die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 geöffnet werden (siehe 4(b) und 5(b)) (Schritt S150). Dann setzt die CPU 82 das Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 zurück (Schritt S160) und verläßt diese Routine. Die Schließzeit wird so eingestellt, daß sie kürzer ist als die Intervalle der zeitlichen Auslaß-Schließsteuerung.
  • Die Steuerung dieser Ausführungsform schließt die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 der Brennstoffzellen-Einheiten 30, um den Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 zu erhöhen, und öffnet dann die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36. Das unter Druck gesetzte Oxidationsgas strömt dementsprechend heftig durch die Oxidationsgasleitungen 36 und aus diesen heraus. Durch die Erzeugung dieses Stoßes in den Oxidationsgasleitungen 36 werden Wassertröpfchen, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen haben, effizient zum Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 befördert. Das röhrenförmige Schaltelement 70 ist dafür ausgelegt, die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen. Diese Anordnung gewährleistet eine Regulierung des Innendrucks der Oxidationsgasleitungen 36 mit gutem Antwortverhalten. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keine Umgehungsleitung in den Brennstoffzellen-Einheiten 30, im Gegensatz zum Aufbau des angeführten Patentdokuments 1. Im Aufbau dieser Ausführungsform befinden sich das röhrenförmige Schaltelement 70 und die Walzen 74 und 76 im ohnehin vorhandenen Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3. In dem kennzeichnenden Aufbau dieser Ausführungsform wird der Rahmen einer Brennstoffzellen-Einheit 30 verwendet, welche einer bereits vorhandenen entspricht, und der Brennstoffzellen-Stapel 20 wird kaum vergrößert. Ein Stoß wird in den Oxidationsgasleitungen 36 einfach dadurch bewirkt, daß die Lagebeziehung zwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 und den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 verändert wird. Die Merkmale der Erfindung werden somit von diesem relativ einfachen Aufbau verwirklicht. Die Lagebeziehung zwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 und den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 kann durch die relativ einfache Bewirkung einer Drehung des röhrenförmigen Schaltelements 70 verändert werden. Die relativ einfache Steuerung dieser Ausführungsform erzeugt in regelmäßigen Abständen einen Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 und entfernt dadurch wirksam Wassertröpfchen, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen haben.
  • Nachstehend werden einige Beispiele für mögliche Modifikationen der ersten Ausführungsform angegeben. Bei der Vorgehensweise der ersten Ausführungsform wird während jeder zeitlichen Auslaß-Schließsteuerung ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt, das heißt, jedes Mal nach Ablauf eines bestimmten Zeitraums. In einer möglichen Modifikation wird die Luftfeuchtigkeit gemessen, wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlag in den Oxidationsgasleitungen 36 gegeben ist, und die beobachtete Luftfeuchtigkeit wird als Schwellenwert T0 festgesetzt. Ein Feuchtigkeitssensor ist in den Oxidationsgasleitungen 36 angeordnet. Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wird bestimmt, daß eine zeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt, wenn die vom Feuchtigkeitssensor gemessene Feuchtigkeit den Schwellenwert T0 erreicht oder übersteigt, und es wird ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Diese Anordnung erzeugt ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 entsprechend dem Status des Wassertröpfchen-Niederschlags, wodurch die Wassertröpfchen, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen haben, wirksam entfernt werden.
  • In einer anderen möglichen Modifikation wird bestimmt, daß eine zeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt, wenn der Brennstoffzellen-Stapel 20 eine hohe Ausgangsleistung erbringen muß, und es wird ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Ob eine hohe Ausgangsleistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 vorliegt, hängt von der Bestimmung ab, ob die elektrische Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 einen voreingestellten Schwellenwert T1 erreicht oder übersteigt. Die elektrische Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 wird aus der Leistungsforderung eines Fahrzeugs an die Antriebsräder 18, 18 berechnet. Die Fahrzeug-Leistungsanforderung wird entsprechend den aktuellen Eingängen eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals V und eines Gaspedalöffnungssignals AP durch Bezugnahme auf ein nicht dargestelltes Kennfeld bestimmt, das im ROM 84 hinterlegt ist. Der Schwellenwert T1 wird zuvor empirisch festgesetzt. Eine höhere Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 bewirkt, daß eine lebhaftere elektrochemische Reaktion eine große Menge an Wasser erzeugt. Die große Wassermenge schlägt sich leicht in den Oxidationsgasleitungen 36 nieder, wodurch sie den ungehinderten Strom des Oxidationsgases stört. Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wird die Beziehung zwischen der Wassermenge, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen hat, und der Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 experimentell bestimmt, und die Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Höhe des Wasserniederschlags den ungehinderten Strom des Oxidationsgases möglicherweise stört, wird als Schwellenwert T1 festgesetzt.
  • In einer weiteren möglichen Modifikation wird bestimmt, daß die zeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt, wenn die Höhe der Integralleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 ein bestimmtes Niveau erreicht oder übersteigt, wenn eine hohe Ausgangsleistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 gegeben ist. Wenn die Höhe der Integralleistung dieses bestimmte Niveau noch nicht erreicht hat, wenn eine hohe Ausgangsleistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 gegeben ist, wird die elektrochemische Reaktion nur vorübergehend lebhaft und bewirkt keinen Niederschlag von Wassertröpfchen in den Oxidationsgasleitungen 36. Die hohe Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 kann jedoch über einen relativ langen Zeitraum bestehen. In diesem Fall erreicht die Höhe der Integralleistung das bestimmte Niveau, während die elektrische Leistungsforderung den Schwellenwert T1 kontinuierlich übersteigt. Dieser Zustand führt häufig zu einem Niederschlag von Wassertröpfchen in den Oxidationsgasleitungen 36. Dieses bestimmte Niveau der Integralleistung wird somit experimentell bestimmt und als Schwellenwert T2 festgesetzt. Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wird bestimmt, daß die zeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt, wenn die Messung der Integralleistung den Schwellenwert T2 erreicht oder übersteigt, während die elektrische Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 den Schwellenwert T1 kontinuierlich übersteigt.
  • In einer weiteren möglichen Modifikation wird ein zeitlich veränderliches Verhalten der Ausgabespannung des Brennstoffzellen-Stapels 20 bei gegebenem Wassertröpfchen-Niederschlag in den Oxidationsgasleitungen 36 im ROM 84 gespeichert. Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wird bestimmt, daß die zeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt, wenn das beobachtete zeitlich veränderliche Verhalten der Ausgabespannung des im Betrieb befindlichen Brennstoffzellen-Stapels 20 im wesentlichen mit dem im ROM 84 gespeicherten zeitlich veränderlichen Verhalten übereinstimmt, und es wird ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Diese Anordnung gewährleistet eine angemessene Einschätzung des Wassertröpfchen-Niederschlags in den Oxidationsgasleitungen 36.
  • Im Aufbau der ersten Ausführungsform wird ein röhrenförmiges Schaltelement 70 mit elliptischem Querschnitt verwendet. In einem in 7 gezeigten modifizierten Aufbau der Brennstoffzellen-Einheit 30 sind die Auslässe der mehreren Oxidationsgasleitungen 36 zu einer Sammelleitung 136 zusammengefaßt, die mit dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 verbunden ist. In diesem Fall wird ein röhrenförmiges Schaltelement mit einem quasi-kreisförmigen Querschnitt und einem Spalt auf seiner Umfangsfläche verwendet, beispielsweise ein Drehventil 170 mit einem Spalt 170a, um den Auslaß der Sammelleitung 136 zu öffnen und zu schließen. Das Drehventil 170 ist axial drehbar im Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 angeordnet. Der Schrittmotor 79 wechselt die Lagebeziehung zwischen dem Spalt 170a des Drehventils 170 und dem Auslaß der Sammelleitung 136, um den Auslaß der Sammelleitung 136 zu öffnen und zu schließen.
  • Die Steuerung der ersten Ausführungsform reguliert die Lagebeziehung zwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70, das zwischen der Antriebswalze 74 und der angetriebenen Walze 76 gespannt ist, und den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen. In einem weiteren modifizierten Aufbau, der in 8 dargestellt ist, ist eine dünne Metall- oder Harzplatte 270 ohne Spalten im Oxidationsgas-Sammelrohr M3 angeordnet und wird mittels eines nicht dargestellten Aktors (beispielsweise eines Motors oder eines Magneten) auf- und abbewegt, um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen (ein Zustand, der von der durchgezogenen Linie in 8 dargestellt ist) und um die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen (ein Zustand, der von der unterbrochenen Linie in 8 dargestellt ist).
  • Die Steuerung der oben genannten Ausführungsform bringt entweder die Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 paßgenau auf die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe zu öffnen, oder bringt die übrigen Bereiche des röhrenförmigen Schaltelements 70 außer den Spalten 70a paßgenau auf die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe zu schließen. In einer möglichen Modifikation kann die Drehung des Schrittmotors 79 reguliert werden, um den Überlappungsbereich (Öffnungsbereich) der Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 mit den Spalten 70a zu variieren. Diese modifizierte Anordnung gewährleistet eine empfindliche Regelung des Stoßsdrucks in den Oxidationsgasleitungen 36.
  • Im Aufbau der oben erörterten Ausführungsform sind die Oxidationsgasleitungen 36 als lineare Nuten ausgebildet, die von der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 zur Oxidationsgas-Abführöffnung 43 verlaufen. Die Oxidationsgasleitungen 36 können auch als gekrümmte Nuten oder als Serpentinennuten ausgebildet sein. In einem weiteren möglichen Aufbau können kleine Würfel oder kleine rechteckige Parallelepipede in vorgegebenen Abständen auf der Oberfläche des Separators 40 angebracht sein, und die Lücken, die von den Würfeln oder rechteckigen Parallelepipeden definiert sind, werden als Oxidationsgasleitungen 36 genommen.
  • Die Steuerung der ersten Ausführungsform öffnet und schließt die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36, um ein Stoß in den Oxidationsgasleitungen 36 zu erzeugen. Zusätzlich zu oder statt dieser Funktion kann die Steuerung die Auslässe der Brenngasleitungen 38 auf ähnliche Weise öffnen und schließen, um ein Stoß in den Brenngasleitungen 38 zu erzeugen. Das in die Brenngasleitungen 38 gelieferte Brenngas wird befeuchtet, und überschüssige Feuchtigkeit kann dazu führen, daß sich Wassertröpfchen in den Brenngasleitungen 38 niederschlagen.
  • In der oben erörterten Ausführungsform ist das Brennstoffzellen-System 12 in einem Fahrzeug 10 eingebaut. Das Brennstoffzellen-System kann auch in anderen Fahrzeugen und Transportmaschinen, wie Zügen und Flugzeugen, eingebaut werden und kann in beliebige Hybridsysteme für den Privat- und Industriesektor eingebaut werden. In jedem Fall zeigen das Brennstoffzellen-System 12 und seine Anwendungsmöglichkeiten Funktionen und Wirkungen, die den oben erörterten entsprechen.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • In einer zweiten Ausführungsform wird der Brennstoffzellen-Stapel 20 der ersten Ausführungsform durch einen Brennstoffzellen-Stapel 120 ersetzt, und der Aufbau gleicht ansonsten dem der ersten Ausführungsform. Ähnliche Komponenten weisen ähnliche Zeichen und Symbole auf und werden hier nicht im Einzelnen beschrieben. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch einen Brennstoffzellen-Stapel 120 der zweiten Ausführungsform darstellt. 10 zeigt Zu- und Abströme von Oxidationsgas und Brenngas in der zweiten Ausführungsform. 11 ist das Blockschema eines Gegendruck-Regelventils in Verbindung mit der elektronischen Steuereinheit 80 der zweiten Ausführungsform.
  • Wie in 9 dargestellt, weist der Brennstoffzellen-Stapel 120 der zweiten Ausführungsform mehrere hundert Brennstoffzellen-Einheiten 30 (identisch mit denen der ersten Ausführungsform) als Basiseinheiten auf, die in zwei Reihen, einer ersten Reihe L1 und einer zweiten Reihe L2, angeordnet sind. Die beiden Reihen L1 und L2 sind beide in U-Form durch eine Verbindungsplatte 127 verbunden. Die Verbindungsplatte 127 besteht aus einem gasundurchlässigen und elektrisch leitfähigen Material wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Die Verbindungsplatte 127 verbindet die Reihen aus mehreren hundert Brennstoffzellen-Einheiten 30. Der Brennstoffzellen-Stapel 120 enthält vier Brennstoffzellen-Blöcke, das heißt, erste bis vierte Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4. Jeder der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 umfaßt ein Viertel der mehreren hundert Brennstoffzellen-Einheiten 30. Der erste Brennstoffzellen-Block B1 und der zweite Brennstoffzellen-Block B2 bilden die erste Reihe L1, während der dritte Brennstoffzellen-Block B3 und der vierte Brennstoffzellen-Block B4 die zweite Reihe L2 bilden. Eine Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, ist zwischen dem ersten Brennstoffzellen-Block B1 und dem zweiten Brennstoffzellen-Block B2 und zwischen dem dritten Brennstoffzellen-Block B3 und dem vierten Brennstoffzellen-Block B4 angeordnet.
  • Sowohl im ersten Brennstoffzellen-Block B1 als auch im vierten Brennstoffzellen-Block B4 ist ein Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 zwischen der Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, und einer Kollektorplatte 121 oder 122 angeordnet. Ferner sind eine Isolierplatte 123 oder 124 und eine Endplatte 125 oder 126 außerhalb der Kollektorplatte 121 oder 122 angeordnet. Die Kollektorplatten 121 und 122 weisen jeweils Anschlüsse 121a und 122a auf. Die Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, weist einen elektrisch leitfähigen ersten Einsatz auf, der zwischen dem ersten Brennstoffzellen-Block B1 und dem zweiten Brennstoffzellen-Block B2 angeordnet ist, einen elektrisch leitfähigen zweiten Einsatz 132, der zwischen dem dritten Brennstoffzellen-Block B3 und dem vierten Brennstoffzellen-Block B4 angeordnet ist, und einen Verbindungsabschnitt 133, der den ersten Einsatz 131 mit dem zweiten Einsatz 132 dielektrisch verbindet. Der erste Einsatz 131 und der zweite Einsatz 132 bestehen aus einem gasundurchlässigen und elektrisch leitfähigen Material wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Der Verbindungsabschnitt 133 besteht aus einem Isoliermaterial wie Gummi oder Harz. Sowohl im zweiten Brennstoffzellen-Block B2 als auch im dritten Brennstoffzellen-Block B3 ist ein Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 zwischen der Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, und der Verbindungsplatte 127 angeordnet. Die Endplatten 125 und 126 und die Verbindungsplatte 127 werden jeweils von einer nicht dargestellten Druckeinheit in Richtung der in 9 dargestellten ungefüllten Pfeile mit Druck beaufschlagt. Dieser Aufbau bewirkt, daß die Brennstoffzellen-Einheiten 30 im Brennstoffzellen-Stapel 120 in engem Kontakt miteinander gehalten werden. Ein Amperemeter AM ist am Brennstoffzellen-Stapel 120 befestigt. Erste bis vierte Spannungsmesser VM1 bis VM4 sind jeweils an den ersten bis vierten Brennstoffzellen-Blöcken B1 bis B4 angebracht.
  • Wie in 10(a) gezeigt, ist der erste Einsatz 131 der Sammelrohrplatte 130 so ausgebildet, daß er den Strom des Oxidationsgases auf ein erstes Oxidationsgas-Verteilerrohr M11 und ein zweites Oxidationsgas-Verteilerrohr M21 der ersten und der zweiten Brennstoffzellen-Blöcke B1 und B2 verteilt. Der zweite Einsatz 132 der Sammelrohrplatte 130 ist so ausgebildet, daß er den Strom des Oxidationsgases auf ein drittes Oxidationsgas-Verteilerrohr M31 und ein viertes Oxidationsgas-Verteilerrohr M41 der dritten und vierten Brennstoffzellen-Blöcke B3 und B4 verteilt. Wie in 10(b) gezeigt, ist der erste Einsatz 131 der Sammelrohrplatte 130 so ausgebildet, daß er den Strom des Brenngases auf ein erstes Brenngas-Verteilerrohr M12 und ein zweites Brenngas-Verteilerrohr M22 der ersten und der zweiten Brennstoffzellen-Blöcke B1 und B2 verteilt. Der zweite Einsatz 132 der Sammelrohrplatte 130 ist so ausgebildet, daß er den Strom des Brenngases auf ein drittes Brenngas-Verteilerrohr M32 und ein viertes Brenngas-Verteilerrohr M42 der dritten und der vierten Brennstoffzellen-Blöcke B3 und B4 verteilt. Der Oxidationsgasstrom und der Brenngasstrom, die auf die einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 verteilt werden, strömen durch die entsprechenden Gasleitungen, die innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 ausgebildet sind, und werden durch erste bis vierte Oxidationsgas-Abgassammelrohre M13, M23, M33 und M43 und erste bis vierte Brennstoff-Abgassammelrohre M14, M24, M34 und M44 der ersten bis vierten Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 hinaus befördert. Erste bis vierte Oxidationsgasgegendruck-Regelventile (erste bis vierte Luftgegendruck-Regelventile) AV1 bis AV4 als Magnetventile sind entlang des Austragswegs des Oxidationsgases von den ersten bis vierten Oxidationsgas-Abgassammelrohren M13, M23, M33 und M43 angeordnet. Erste bis vierte Brenngasgegendruck-Regelventile (erste bis vierte Wasserstoffgegendruck-Regelventile) HV1 bis HV4 als Magnetventile sind entlang des Austragswegs des Brenngases von den ersten bis vierten Brenngas-Abgassammelrohren M14, M24, M34 und M44 angeordnet. Jedes der Gegendruck-Regelventile AV1 bis AV4 und HV1 bis HV4 weist einen Ventilteller Va auf (welcher dem Regulierungsmodul der Erfindung entspricht), um die Gasdurchtrittsfläche (den Öffnungsbereich) zu regulieren, und einen Aktor Vb (der dem Betätigungsmodul der Erfindung entspricht), der den Ventilteller Va als Antwort auf ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 80 betätigt, wie in 11 dargestellt.
  • Die elektronische Steuereinheit 80 umfaßt eine CPU 82, einen ROM 84 und einen RAM 86, wie die erste Ausführungsform. Die elektronische Steuereinheit 80 empfängt über ihren (nicht gezeigten) Eingangsport Erfassungssignale von den ersten bis vierten Voltmetern VM1 bis VM4, von dem Amperemeter AM und von der Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68, die den Neigungswinkel des Fahrzeugs mißt, ebenso wie ein Gaspedalöffnungssignal AP, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V und elektrische Signale vom Stromwandler, der im Betätigungsmechanismus 14 enthalten ist, wie in 12 dargestellt. Im Aufbau der zweiten Ausführungsform mißt die Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 die Neigung eines Fahrzeug, das auf einer geneigten Straße steht. Ansonsten kann die Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 die Änderung des Fahrzeugverhaltens aufgrund der Stöße der einzelnen Radaufhängungen oder aufgrund der Beschleunigung des Fahrzeugs ermitteln. Die elektronische Steuereinheit 80 gibt über ihren (nicht dargestellten) Ausgangsport Steuersignale an die ersten bis vierten Luftgegendruck-Regelventile AV1 bis AV4 und an die ersten bis vierten Wasserstoffgegendruck-Regelventile HV1 bis HV4 aus, ebenso wie Steuersignale an das Strom ventil 62, um den Luftstrom zu regulieren, an das Stromventil 66, um den Wasserstoffstrom zu regulieren, und an den Stromwandler und den Zugmotor, die im Betätigungsmechanismus 14 enthalten sind. Eine Aufzeichnung des Innenwiderstands Ri gegen den Wassergehalt in jedem Brennstoffzellen-Block ist in Form eines in 13 dargestellten Kennfelds im ROM 84 der elektronischen Steuereinheit 80 hinterlegt. Die Aufzeichnung von 13 wird im voraus experimentell oder empirisch bestimmt. Im Kennfeld dieser Ausführungsform weist jeder Brennstoffzellen-Block einen angemessenen Wassergehalt auf, wenn der Innenwiderstand Ri die (Un)gleichung C1 ≤ Ri ≤ C2 erfüllt, einen zu hohen Wassergehalt (Überflutung), wenn der Innenwiderstand Ri die Ungleichung Ri < C1 erfüllt, und einen zu niedrigen Wassergehalt (Austrocknung), wenn der Innenwiderstand Ri die Ungleichung C2 < Ri erfüllt. Hier bezeichnen C1 und C2 Werte, die im voraus experimentell oder empirisch festgesetzt wurden.
  • Im folgende werden Funktionsabläufe eines Fahrzeugs der zweiten Ausführungsform beschrieben, das wie oben erörtert aufgebaut ist. Wie in 12 gezeigt, empfängt die CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 aktuelle Eingangssignale vom Gaspedalöffnungssignal AP und vom Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V und setzt eine Leistungsfähigkeitsforderung P als Antwort auf diese Eingangssignale fest. Die CPU 82 bestimmt den Luftstrom und den Wasserstoffstrom, die dem Brennstoffzellen-Stapel 120 zugeführt werden müssen, um eine elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 120 sicherzustellen, die einer Leistungsanforderung P entspricht, und reguliert die Stromventile 62 und 66 in Übereinstimmung mit der Bestimmung des Luft- und Wasserstoffstroms. Das Fahrzeug fährt dementsprechend so, daß die elektrische Ausgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stapel 120 den Anforderungen des Fahrers entspricht.
  • Die Steuerung dieser Ausführungsform hält den Wassergehalt im Brennstoffzellen-Stapel 120 auf einem geeigneten Niveau, während das Fahrzeug fährt. Im Ausgangszustand werden die ersten bis vierten Luftgegendruck-Regelventile AV1 bis AV4 und die ersten bis vierten Wasserstoffgegendruck-Regelventile HV1 bis HV4 in ihre einzelnen Bezugsstellungen gebracht, das heißt in die Mitte zwischen den völlig ge öffneten und völlig geschlossenen Stellungen. Im Ausgangszustand werden außerdem die Werte für die Prozeßzähler und die Zeitgeber, die in die elektronische Steuereinheit 80 eingebaut sind, auf 0 gesetzt, während die Werte für die Austrocknungs-Flags FD1 bis FD4 und für die Überflutungs-Flags FF1 bis FF4 der einzelnen Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 auf 0 gesetzt werden. Jedes der Austrocknungs-Flags FD wird während des Aufhebungsprozesses für den Austrocknungszustand auf 1 gesetzt und wird ansonsten auf 0 zurückgesetzt. Jedes der Überflutungs-Flags FF wird während des Aufhebungsprozesses für den Überflutungszustand auf 1 gesetzt und wird ansonsten auf 0 zurückgesetzt.
  • 14 ist ein Ablaufschema, das eine Wassermengen-Anpassungsroutine zeigt, die von der CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 ausgeführt wird. Diese Routine ist im ROM 84 hinterlegt und wird von der CPU 82 in voreingestellten Zeitintervallen wiederholt (beispielsweise alle paar ms). Wenn diese Routine beginnt, setzt die CPU 82 zuerst einen Wert „1" für den Prozeßzähler n (wobei n eine ganze Zahl darstellt) (Schritt 5200) und bestimmt, ob eines von dem Austrocknungs-Flag FDn und dem Überflutungs-Flag FFn 1 auf 1 gesetzt ist (Schritt S202). Wenn keines der Flags FDn und FFn auf 1 gesetzt ist, das heißt, wenn sowohl das Flag FDn als auch das Flag FFn auf 0 gesetzt sind, berechnet die CPU 82 den Innenwiderstand Ri des n-ten Brennstoffzellen-Blocks anhand der Stromaufnahme, die von dem Amperemeter AM gemessen wird, und der Spannung, die von einem n-ten Voltmeter VMn gemessen wird (Schritt S204), und bestimmt, ob der errechnete Innenwiderstand Ri die Ungleichung Ri < C1 erfüllt (Schritt S206). Wenn Ri < C1 erfüllt ist, wird gemäß dem Kennfeld der 13 bestimmt, daß der n-te Brennstoffzellen-Block überflutet ist. Demgemäß regelt die CPU 82 ein n-tes Luftgegendruck-Regelventil AVn und ein n-tes Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus den Bezugspositionen in die einzelnen Öffnungsrichtungen, um die Luft- und Wasserstoffströme in den n-ten Brennstoffzellen-Block zu erhöhen (Schritt S208). Dann setzt die CPU 82 das Überflutungs-Flag FFn auf 1, stellt eine vorgegebene Zeit auf dem Zähler ein und beginnt mit dem Countdown (Schritt S210). So wird der zu hohe Wassergehalt im nt-ten Brennstoffzellen-Block effizient mit den Gas strömen abgeführt. Die Gegendruck-Regelventile AVn und HVn können in ihre völlig geöffneten oder halb geöffneten Stellungen gebracht werden.
  • Wenn andererseits Ri < Ci in Schritt S206 nicht erfüllt ist, das heißt, falls C1 < Ri, bestimmt die CPU 82 anschließend, ob der errechnete Innenwiderstand Ri die Ungleichung R2 < Ri erfüllt (Schritt S212). Wenn C2 < Ri erfüllt ist, wird bestimmt, daß der n-te Brennstoffzellen-Block gemäß dem Kennfeld von 3 im Austrocknungszustand ist. Die CPU 82 regelt demgemäß das n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihren Bezugsstellungen in die einzelnen Schließrichtungen, um die Luft- und Wasserstoffströme im n-ten Brennstoffzellen-Block zurückzuhalten (Schritt S214). Die CPU 82 setzt dann das Austrocknungs-Flag FDn auf 1, stellt eine vorgegebene Zeit auf dem Zähler ein und beginnt den Countdown (Schritt S214). Das befeuchtete Wasserstoffgas und die befeuchtete Luft werden auf diese Weise im n-ten Brennstoffzellen-Block zurückgehalten, um den Wassergehalt zu erhöhen. Die Gegendruck-Regelventile AVn und HVn können in die völlig geschlossene oder in die halb geschlossene Stellung gebracht werden.
  • Wenn einer von dem Austrocknungs-Flag FDn und dem Überflutungs-Flag FFn bei Schritt S202 auf 1 gesetzt ist, setzt der Zeitgeber den Countdown fort. Dann wird bestimmt, ob die Zählung auf dem Zeitgeber 0 erreicht hat, das heißt, ob die vorgegebene Zeit vergangen ist (Schritt S218). Wenn die vorgegebene Zeit um ist, bringt die CPU 220 das n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn wieder in ihre Bezugspositionen (Schritt S220) und setzt das Austrocknungs-Flag FDn und das Überflutungs-Flag FFn auf 0 zurück (Schritt S222). Die vorgegebene Zeit bezüglich des Überflutungszustands wird empirisch bestimmt und stellt den Zeitraum ab der Öffnungsbetätigung der Gegendruck-Regelventile in einem überfluteten Brennstoffzellen-Block dar, der erforderlich ist, um die überflüssige Wassermenge bis auf ein geeignetes Maß abzuführen. Die vorgegebene Zeit bezüglich des Austrocknungszustands wird empirisch bestimmt und stellt den Zeitraum dar, der ab der Schließbetätigung der Gegendruck-Regelventile in einem ausgetrockneten Brennstoffzellen-Block erforderlich ist, um den Wassergehalt auf ein geeignetes Maß zu er höhen. Die vorgegebene Zeit bezüglich des Überflutungszustands kann mit der vorgegebenen Zeit bezüglich des Austrocknungszustands übereinstimmen oder davon abweichen.
  • Wenn in Schritt S218 festgestellt wird, daß die vorgegebene Zeit noch nicht um ist, nachdem in Schritt S222 beide Flags FDn und FFn auf 0 gesetzt wurden, nachdem in Schritt S210 oder in Schritt S216 der Countdown des Zeitnehmers gestartet wurde, oder wenn in Schritt S212 C2 < Ri nicht erfüllt ist, das heißt, wenn der errechnete Innenwiderstand Ri des n-ten Brennstoffzellen-Blocks im geeigneten Bereich C1 ≤ Ri ≤ C2 liegt, ändert die CPU 82 schrittweise den Wert n des Prozeßzählers um eins (Schritt S224) und bestimmt, ob der erhöhte Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert (4 in dieser Ausführungsform) übersteigt (Schritt S226). Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert nicht übersteigt, kehrt das Programm zu Schritt S202 zurück und führt die Prozesse ab oder nach Schritt S202 aus. Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert übersteigt, beendet das Programm diese Routine. Bei dieser Vorgehensweise wird der Innenwiderstand Ri in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 berechnet, und die Gegendruck-Regelventile werden aufgrund des errechneten Innenwiderstands Ri in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung geregelt, um so den geeigneten Wassergehalt in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 zu erreichen.
  • Eine Neigungsantwort-Routine wird als Teil des Prozesses durchgeführt, um den Wassergehalt im Brennstoffzellen-Stapel 120 auf geeigneter Höhe zu halten, während das Fahrzeug fährt. 15 ist ein Ablaufschema, das diese Neigungsantwort-Routine zeigt. Diese Routine ist im ROM 84 hinterlegt und wird von der CPU 82 zu vorgegebenen Zeiten wiederholt (beispielsweise alle paar ms). Wenn diese Routine gestartet wird, empfängt die CPU 82 zuerst ein Eingangssignal für den Neigungswinkel, der von der Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 gemessen wird (Schritt S300), und stellt aufgrund des eingegangenen Neigungswinkels fest, ob das Fahrzeug horizontal ausgerichtet ist (Schritt S310). Wenn das Fahrzeug horizontal ausgerichtet ist, setzt die CPU 82 die Mittelstellungen zwischen den völlig geöffneten Stellungen und den völlig ge schlossenen Stellungen als Bezugsstellungen für die Luftgegendruck-Regelventile AV1 bis AV4 und die Wasserstoffgegendruck-Regelventile HV1 bis HV4 sämtlicher Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 fest (Schritt S320). Diese Routine wird dann beendet. Die Bezugsstellungen in diesem Zustand sind mit den Bezugsstellungen im Ausgangszustand identisch. Wenn das Fahrzeug in Schritt S310 andererseits nicht horizontal ausgerichtet ist, bestimmt die CPU 82 den Brennstoffzellen-Block (oder auch mehrere Brennstoffzellen-Blöcke), der sich von den Brennstoffzellen-Blöcken B1 bis B4, aus denen der Brennstoffzellen-Stapel 120 besteht, am weitesten unten befindet, und setzt weiter geöffnete Stellungen als die Mittelstellung als Bezugsstellungen für das Luftgegendruck-Regelventil und das Wasserstoffgegendruck-Regelventil des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks fest (Schritt S330). Diese Routine wird dann beendet. Der Brennstoffzellen-Block, der sich am weitesten unten im Brennstoffzellen-Stapel 120 befindet, tendiert wegen der Schwerkraft zu einem hohen Wassergehalt. Durch Festsetzen von Bezugsstellungen der Gegendruck-Regelventile in dem Brennstoffzellen-Block, der am weitesten unten ist, die weiter geöffnet sind als die Mittelstellungen, werden die Luft- und Wasserstoffströme verstärkt. Dieser Schritt verhindert auf erwünschte Weise die Erhöhung des Wassergehalts. Die Stellungen der Gegendruck-Regelventile, die in Schritt S208 geregelt werden, sollten weiter offen sein als die in Schritt S S330.
  • Die im Brennstoffzellen-Stapel 120 enthaltenen Brennstoffzellen-Einheiten 30 enthalten häufig unterschiedlich hohe Wassermengen. Im Aufbau der zweiten Ausführungsform wird der Brennstoffzellen-Stapel 120 daher in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 aufgeteilt, und die einzelnen Brennstofzellen-Blöcke B1 bis B4 werden gesteuert, um das enthaltene Wasser abzuleiten. Diese Anordnung leitet das Wasser aus den Brenngasleitungen und den Oxidationsgasleitungen der Brennstoffzellen-Einheiten 30, die in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 enthalten sind, wirkungsvoll ab, wodurch der Wassergehalt auf ein geeignetes Maß gesenkt wird. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keine Umgehungsleitung in den Brennstoffzellen-Einheiten 30, im Gegensatz zum Aufbau des angeführten Patentdokuments 1. In dem kennzeichnenden Aufbau dieser Ausführungsform wird der Rahmen einer Brenn stoffzellen-Einheit 30 verwendet, die den bereits vorhandenen entspricht, und die Größe des Brennstoffzellen-Stapels 120 wird nicht wesentlich erhöht.
  • Wenn ein bestimmter Brennstoffzellen-Block überflutet ist, werden die Gegendruck-Regelventile im Oxidationsgas-Abgassammelrohr und im Brenngas-Abgassammelrohr aus den Bezugsstellungen in Öffnungsrichtung geregelt, um die Öffnungsbereiche zu verbreitern. Dadurch wird das Wasser aus den Oxidationsgasleitungen und den Brenngasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten, die in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block enthalten sind, wirksam entfernt, wodurch der Wassergehalt auf ein geeignetes Maß gesenkt wird. Wenn ein bestimmter Brennstoffzellen-Block andererseits ausgetrocknet ist, werden die Gegendruck-Regelventile im Oxidationsgas-Abgassammelrohr und im Brenngas-Abgassammelrohr aus der Bezugsstellung in Schließrichtung geregelt, um die Öffnungsbereiche zu verengen. Dies bewirkt günstigerweise, daß das befeuchtete Wasserstoffgas und die befeuchtete Luft in den Oxidationsgasleitungen und den Brenngasleitungen der in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block enthaltenen einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten zurückgehalten werden, wodurch der Wassergehalt auf ein geeignetes Maß erhöht wird. Der Bezugsbereich der Erfindung entspricht dem Öffnungsbereich des Oxidationsgas-Abgassammelrohrs oder des Brenngas-Abgassammelrohrs, wenn das entsprechende Gegendruck-Regelventil in seine Bezugsposition gesetzt ist.
  • Der Wassergehalt tendiert aufgrund der Schwerkraft zu einem Ansteigen im untersten Brennstoffzellen-Block der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4, aus denen der Brennstoffzellen-Stapel 120 besteht. Im untersten Brennstoffzellen-Block werden Bezugsstellungen für die Gegendruck-Regelventile des Oxidationsgas-Abgassammelrohrs und des Brenngas-Abgassammelrohrs festgesetzt, die weiter offen als die Mittelstellungen sind. Dadurch wird die Ableitung des enthaltenen Wassers beschleunigt.
  • Nachstehend werden einige Beispiele für mögliche Modifikationen angegeben. Die Anordnung der zweiten Ausführungsform regelt die Gegendruck-Regelventile in einem überfluteten Brennstoffzellen-Block aus den Bezugsstellungen in Öffnungs richtung, um die Öffnungsbereiche zu verbreitern und um die Ableitung des enthaltenen Wassers zu beschleunigen. In einer möglichen Modifikation der zweiten Ausführungsform können die Gegendruck-Regelventile in die völlig geschlossene Stellung gebracht und anschließend völlig geöffnet werden, um ein Stoß zu erzeugen und dadurch das enthaltene Wasser abzuleiten, wie in der Steuerung der ersten Ausführungsform. Die Anordnung der ersten Ausführungsform erzeugt einen Stoß, um das enthaltene Wasser abzuleiten. In einer möglichen Modifikation der ersten Ausführungsform kann die Mittelstellung zwischen der völlig geöffneten Stellung, in der die Oxidationsgasleitungen 36 vollständig geöffnet sind, und der völlig geschlossenen Stellung, in der die Oxidationsgasleitungen 36 völlig geschlossen sind, als Bezugsstellung des röhrenförmigen Schaltelements 70 eingesetzt werden, und es kann eine Bezugsstellung für das röhrenförmige Schaltelement 70 eingesetzt werden, die weiter offen ist als die Mittelstellung, wenn sich Wassertröpfchen niedergeschlagen haben, um die Ableitung des vorhandenen Wassers zu beschleunigen.
  • Im Aufbau der zweiten Ausführungsform sind die Gegendruck-Regelventile in den Auslässen des Brenngas-Abgassammelrohrs und des Oxidationsgas-Abgassammelrohrs in jedem Brennstoffzellen-Block angeordnet. Die Gegendruck-Regelventile können durch das röhrenförmige Schaltelement 70 und den Schrittmotor 79 für das Betätigen des röhrenförmigen Schaltelements 70 ersetzt werden, die im Aufbau der ersten Ausführungsform enthalten sind. Das vom Schrittmotor 79 betätigte röhrenförmige Schaltelement 70 regelt den Öffnungsbereich jedes Abgassammelrohrs, wodurch ähnliche Wirkungen erzielt werden wie in der zweiten Ausführungsform.
  • Bei der Vorgehensweise der zweiten Ausführungsform werden die Stellungen der Gegendruck-Regelventile so festgesetzt, daß sie weiter offen sind als die Bezugsstellungen, daß sie den Bezugsstellungen entsprechen oder daß sie stärker geschlossen sind als die Bezugsstellungen, je nachdem ob der Bereich des Innenwiderstands Ri die (Un)gleichungen Ri < C1, C1 ≤ Ri ≤ C2 oder C2 < Ri erfüllt. Je nach Bedarf kann auch eine genauere Positionssteuerung verwendet werden. Beispielsweise kann eine modifizierte Steuerung die Gegendruck-Regelventile in einem Bereich von C0 ≤ Ri < C1 noch nicht in die vollständig geöffnete Stellung bringen, und in einem Bereich von R < C0 in die völlig geöffnete Stellung, wohingegen die Steuerung der zweiten Ausführungsform die Gegendruck-Regelventile im Bereich von Ri < C1 vollständig öffnet.
  • Der Aufbau der zweiten Ausführungsform regelt sowohl das Luftgegendruck-Regelventil als auch das Wasserstoffgegendruck-Regelventil in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung, wenn der Brennstoffzellen-Block überflutet wird oder austrocknet. Ähnliche Wirkungen können erhalten werden, wenn lediglich das Luftgegendruck-Regelventil in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung geregelt wird, oder wenn lediglich des Wasserstoffgegendruck-Regelventil in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung geregelt wird.
  • Im Aufbau der zweiten Ausführungsform weist der Brennstoffzellen-Stapel 120 zwei Reihen L1 und L2 auf, und jede Reihe ist in zwei Teile geteilt. Das heißt, es sind insgesamt vier Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 vorhanden. In einem weiteren, in 16 gezeigten Beispiel, ist jede Reihe in drei Teile eingeteilt, und es sind insgesamt sechs Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B6 vorhanden. In diesem modifizierten Aufbau, wo jede Reihe in drei Teile geteilt ist, stehen die Brennstoffzellen-Blöcke B1, B3, B4 und B6 an den einzelnen Enden jeweils mit einer Endplatte 225 oder 226 oder einer Verbindungsplatte 227 in Kontakt. Die Wärmeabgabe über diese Endplatten 225 und 226 und die Verbindungsplatte 227 senkt die Temperatur in diesen End-Brennstoffzellen-Blöcken B1, B3, B4 und B6, die somit zur Überflutung neigen. Der mittlere Brennstoffzellen-Block B2 befindet sich zwischen den Wärme erzeugenden Brennstoffzellen-Blöcken B1 und B3, und der mittlere Brennstoffzellen-Block B5 befindet sich zwischen den Wärme erzeugenden Brennstoffzellen-Blöcken B4 und B6. Diese mittleren Brennstoffzellen-Blöcke B2 und B5 geben daher nicht ohne weiteres Wärme ab, sondern neigen zum Austrocknen. Die einzelnen Brennstoffzellen-Blöcke enthalten dementsprechend verschieden große Wassermengen. Das Verfahren der Erfindung ist in solch einem Aufbau bemerkenswert effizient.
  • Bei der Vorgehensweise der zweiten Ausführungsform wird die im Ablaufschema der 14 gezeigte Wassermengen-Anpassungsroutine durchgeführt. Es kann auch eine andere, im Ablaufschema der 17 gezeigte, Wassermengen-Anpassungsroutine durchgeführt werden. In dieser modifizierten Routine, setzt die CPU 82 zuerst einen Wert „1" für einen Prozeßzählerwert n ein (wobei n eine ganze Zahl darstellt) (Schritt S400), berechnet den Innenwiderstand Ri eines n-ten Brennstoffzellen-Blocks anhand der Eingangssignale für den Strom, die vom Amperemeter gemessenen werden, und für die Spannung, die von einen n-ten Spannungsmesser VMn gemessen werden (Schritt S402) und bestimmt, ob der errechnete Innenwiderstand Ri die Ungleichung Ri < C1 erfüllt (Schritt S404). Wenn Ri < C1 erfüllt ist, regelt die CPU 82 das n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihren Bezugsstellungen in die einzelnen Öffnungsrichtungen, um die Luft- und Wasserstoffströme in den n-ten Brennstoffzellen-Block zu verstärken (Schritt S406). Wenn andererseits Ri < C1 in Schritt S404 nicht erfüllt ist, das heißt, im Fall von C1 ≤ Ri, bestimmt die CPU 82 anschließend, ob der errechnete Innenwiderstand die Ungleichung C2 < Ri erfüllt (Schritt S408). Wenn C2 < Ri erfüllt ist, regelt die CPU 82 das n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihren Bezugsstellungen in die einzelnen Schließrichtungen, um die Luft- und Wasserstoffströme im n-ten Brennstoffzellen-Block zurückzuhalten (Schritt S410). Wenn C2 < Ri in Schritt S408 nicht erfüllt ist, das heißt, wenn der errechnete Innenwiderstand Ri im Bereich von C1 ≤ Ri ≤ C2 liegt, wird bestimmt, ob der Wassergehalt im n-ten Brennstoffzellen-Block in einem geeigneten Bereich liegt. Die CPU 82 stellt dementsprechend das n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn auf die Bezugsstellungen ein (Schritt S412). Nach Durchführung der einzelnen Schritte S406, S410 und S412 erhöht die CPU 82 den Wert des Prozeßzählers n um eins (Schritt S414) und bestimmt, ob der erhöhte Wert des Prozeßzählers n seinen Maximalwert (4 in dieser Ausführungsform) übersteigt (Schritt S416). Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert nicht übersteigt, kehrt das Programm zu Schritt S402 zurück und führt den Prozeß ab Schritt S402 aus. Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert übersteigt, beendet das Programm diese Routine. Bei dieser modifizierten Vorgehensweise wird auch den Innenwiderstand Ri in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 berechnet, und die Gegendruck-Regelventile werden aufgrund des errechneten Innenwiderstands Ri in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtung geregelt, wodurch die geeignete Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 erreicht wird.
  • Der Aufbau der zweiten Ausführungsform verwendet mehrere Spannungsmesser VM1 bis VM4, die an mehreren Spannungsmeßpunkten angeordnet sind. Ein Spannungsmesser vom Scanner-Typ, der mehrere Spannungsmeßpunkte abtastet, kann verwendet werden, um den Aufbau des Brennstoffzellen-Systems zu vereinfachen.
  • In der oben erörterten Ausführungsform ist das Brennstoffzellen-System 12 in einem Fahrzeug 10 eingebaut. Das Brennstoffzellen-System 120 kann auch in anderen Fahrzeugen und Transportmaschinen, wie Zügen und Flugzeugen, eingebaut werden und kann in beliebige Hybridsysteme für den Privat- und Industriesektor eingebaut werden. In jedem Fall zeigen das Brennstoffzellen-System 120 und seine Anwendungsmöglichkeiten Funktionen und Wirkungen, die den oben erörterten entsprechen.
  • Die oben genannten Ausführungsformen sollen in allen Aspekten als erläuternd und nicht als beschränkend angesehen werden. Es können Modifikationen, Variationen und Veränderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang oder Gedanken der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Sämtliche Änderungen, die innerhalb des Gedankens und Bereichs der Ansprüche liegen, sollen deshalb hierin eingeschlossen sein.

Claims (23)

  1. Brennstoffzellen-System, umfassend eine Brennstoffzelle, die durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite vorgesehene Oxidationsgasleitung strömt, und Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durch eine an der Anodenseite vorgesehene Brenngasleitung strömt, Strom erzeugt, wobei das Brennstoffzellen-System ferner umfaßt: ein Schaltelement, das den Auslaß von mindestens einer von einer Oxidationsgasleitung und einer Brenngasleitung öffnet und schließt; und ein Betätigungsmodul, welches das Schaltelement betätigt, um den Auslaß der mindestens einen Gasleitung zu öffnen und zu schließen.
  2. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellen-System umfaßt: einen Brennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Reihe übereinander geschichteter Brennstoffzellen handelt, und ein Abgassammelrohr, das mit dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung verbunden ist, die in jeder der Brennstoffzellen enthalten ist, wobei das Schaltelement in dem Abgassammelrohr angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin das Brennstoffzellen-System umfaßt: einen Brennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Reihe von übereinander geschichteten Brennstoffzellen handelt; ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr, das mit den Auslässen der jeweiligen Oxidationsgasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellen enthalten sind, und ein Brennstoff-Abgassammelrohr, das mit den Auslässen der jeweiligen Brenngasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellen enthalten sind, wobei das Schaltelement in mindestens einem von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brennstoff-Abgassammelrohr angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 3, worin der Brennstoffzellen-Stapel in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke eingeteilt ist, wobei jeder der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke mehrere Brennstoffzellen umfaßt, ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke bereitgestellt ist und mit den Auslässen der einzelnen Oxidationsgasleitungen in den mehreren Brennstoffzellen, die in den Brennstoffzellen-Blöcken bereitgestellt sind, verbunden ist, und ein Brennstoff-Abgassammelrohr in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke bereitgestellt ist und mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind, verbunden ist.
  5. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin das Schaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichs des Schaltelements außer dem Spalt gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt, das Anordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses erweitert.
  6. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 2, worin das Schaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichs des Schaltelements außer dem Spalt gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt, und das Anordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses erweitert.
  7. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 6, worin es sich bei dem Schaltelement um ein röhrenförmiges Schaltelement handelt, dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar im Abgassammelrohr angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 3, worin das Schaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichs des Schaltelements außer dem Spalt gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt, und das Anordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber dem Auslaß der mindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses erweitert.
  9. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 8, worin es sich bei dem Schaltelement um ein röhrenförmiges Schaltelement handelt, dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar im Abgassammelrohr angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Schaltelement betätigt, um zuerst den Öffnungsbereich des Auslasses der mindestens einen Gasleitung auf Null oder in Richtung auf Null zu verengen, und um anschließend den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasses zu erweitern, wodurch ein Stoß in der Gasleitung erzeugt wird.
  11. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worin das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul steuert, um in der mindestens einen Gasleitung ent sprechend dem Zustand eines Wasserniederschlags in der Gasleitung einen Stoß zu erzeugen.
  12. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worin das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul so steuert, daß es den Stoß in der mindestens einen Gasleitung entweder dann erzeugt, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Ausgangsleistungsniveau überschreitet, oder wenn die Höhe der Integralleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Leistungsniveau überschreitet.
  13. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, wobei das Brennstoffzellen-System umfaßt: ein Speichermodul, welches das Ausgangsleistungsverhalten der Brennstoffzelle speichert, wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlag in der mindestens einen Gasleitung gegeben ist, wobei das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul so steuert, daß es einen Stoß in der Gasleitung erzeugt, wenn das beobachtete Ausgangsleistungsverhalten einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle im wesentlichen mit dem Ausgangsleistungsverhalten übereinstimmt, das in dem Speichermodul hinterlegt ist.
  14. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worin das Betätigungssteuerungsmodul das Betätigungsmodul steuert, um in regelmäßigen Abständen einen Stoß in der mindestens einen Gasleitung zu erzeugen.
  15. Brennstoffzellen-System, umfassend eine Brennstoffzelle, die durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, und Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durch eine an der Anodenseite bereitgestellte Brengasleitung strömt, Strom erzeugt, wobei das Brennstoffzellen-System umfaßt: einen Brennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Reihe übereinander geschichteter Brennstoffzellen handelt, und der in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke aufgeteilt ist, wobei jeder der Brennstoffzellen-Blöcke mehrere Brennstoffzellen umfasst; Oxidationsgas-Abgassammelrohre, von denen jedes mit den Ausgängen der einzelnen Oxidationsgasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Brennstoff-Abgassammelrohre, von denen jedes mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke verbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Regelungsmodule, von denen jedes den Auslaßöffnungsbereich von mindestens einem von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brennstoff-Abgassammelrohr in jedem Brennstoffzellen-Block regelt; und ein Betätigungsmodul, welches die Regelungsmodule betätigt.
  16. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 15, wobei das Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Parameter-Meßmodul, das einen Parameter mißt, der sich auf die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; ein Wassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke aufgrund des von dem Parameter-Meßmodul gemessenen Parameters bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Regelungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Wassermengen-Bestimmungsmodul einen zu hohen Wassergehalt aufweist, betätigt, um den Auslaßöffnungsbereich des mindestens einen Abgas-Sammelrohrs zu vergrößern, so daß er größer wird als ein vorgegebener Bezugsbereich.
  17. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 16, worin das Parameter-Meßmodul den Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke mißt, und das Wassermengen-Bestimmungsmodul bestimmt, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Block zu viel Wasser enthält, wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks unterhalb eines voreingestellten geeigneten Bereichs liegt.
  18. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 15, worin das Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Parameter-Meßmodul, das einen Parameter mißt, der sich auf die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; ein Wassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke aufgrund des von dem Parameter-Meßmodul gemessenen Parameters bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welches das Betätigungsmodul so steuert, daß es das Regelungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Wassermengen-Bestimmungsmodul einen unzureichenden Wassergehalt aufweist, betätigt, um den Auslaßöffnungsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrs zu verkleinern, so daß er kleiner wird als ein vorgegebener Bezugsbereich.
  19. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 18, worin das Parameter-Meßmodul den Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke mißt, und das Wassermengen-Bestimmungsmodul bestimmt, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Block einen zu geringen Wassergehalt aufweist, wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks über einem voreingestellten geeigneten Bereich liegt.
  20. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 16, worin das Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Blockpositions-Erkennungsmodul, das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt, worin das Betätigungssteuerungsmodul den voreingestellten Bezugsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrs in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Blockpositions-Erkennungsmodul unten angeordnet ist, vergrößert.
  21. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 18, worin das Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Blockpositions-Erkennungsmodul, das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt, wobei das Betätigungssteuerungsmodul den voreingestellten Bezugsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrs in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Blockpositions-Erkennungsmodul unten angeordnet ist, vergrößert.
  22. Fahrzeug, in dem ein Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1 eingebaut ist.
  23. Fahrzeug, in dem ein Brennstoffzellen-System nach Anspruch 15 eingebaut ist.
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