DE102006003394A1 - Brennstoffzellensystem, das die Stabilität seines Betriebs sicherstellt - Google Patents

Brennstoffzellensystem, das die Stabilität seines Betriebs sicherstellt Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem ist ausgebildet zum Liefern von nicht oder wenig befeuchteter Luft an einen Brennstoffzellenstapel und zum Sicherstellen der Betriebsstabilität davon. Das System arbeitet derart, daß die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels überwacht werden und bestimmt wird, ob Elektrolytfilme der Brennstoffzellen trocken werden oder nicht oder ob eine ungewünschte Menge an Wasser auf der Seite der Luftelektroden der Zellen erzeugt worden ist oder nicht. Wenn eine Bedingung zutrifft, arbeitet das System derart, daß der Druck der Luft in einer Luftableitung des Brennstoffzellenstapels angehoben wird, um die Erzeugung von Wasser in den Zellen zu verstärken, um die Elektrolytfilme in einem gewünschten feuchten Zustand zu halten oder um das Wasser von den Luftelektroden zu den Brennstoffelektroden der Zellen zu übertragen, um die Elektrolytfilme in einem gewünschten feuchten Zustand zu halten, wodurch die Betriebsstabilität des Brennstoffzellenstapels sichergestellt wird.

Description

  • Verweis auf eine in Beziehung stehende Druckschrift
  • Die am 25. Januar 2005 eingereichte vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2005-17056, deren Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Brennstoffzellensystem, das derart ausgestaltet ist, daß es die Betriebsstabilität davon sicherstellt.
  • 2. Technischer Hintergrund
  • Übliche Brennstoffzellen, die zum Erzeugen von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen zwischen Oxidationsmittel und Brennstoffgas ausgebildet sind, sind im allgemeinen mit Luft als Oxidationsmittel und Wasserstoffgas als Brennstoffgas versorgt. Eine Ausgangsleistung der Brennstoffzellen hängt von der Konzentration an in der Luft enthaltenem Sauerstoff ab. Die Verbesserung der Ausgangsleistung der Brennstoffzellen wird daher durch Erhöhen der Konzentration von Sauerstoff in der an die Brennstoffzellen zu liefernden Luft erreicht.
  • Zum Beispiel lehren die japanischen Patent-Erstanmeldungsveröffentlichungen JP 2003-229 165 und JP 10-321249 (entspricht dem US-Patent US 6,106,963 ) Techniken zum Erzeugen und Hinzufügen von reinem Sauerstoff zu Luft zum Erhöhen der Konzentration von Sauerstoff in der an die Brennstoffzellen zu liefernden Luft. Die japanische Patent-Erstanmeldungsveröffentlichung JP 2003-217 624 lehrt Techniken zum Erhöhen der an die Brennstoffzellen zu liefernden Luft.
  • Die zuerst genannten Techniken erfordern jedoch komplexe Mechanismen zum Erzeugen des reinen Sauerstoffs oder von dem Mechanismen eingenommene Installationsräume. Die zuletzt genannten Techniken erfordern einen Kompressor zum Erhöhen der an die Brennstoffzellen zu liefernden Menge an Luft und haben somit einen Anstieg der von dem System insgesamt verbrauchten Leistung zur Folge, was zu einer Abnahme des Wirkungsgrades des Betriebs des Systems führt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Um die obigen Probleme zu verringern, untersuchte der Erfinder dieser Anmeldung ein Brennstoffzellensystem, das derart gestaltet ist, daß nicht befeuchtete Luft an Brennstoffzellen geliefert wird, um die Konzentration von Sauerstoff in der Luft zu erhöhen. Das Brennstoffzellensystem arbeitet derart, daß die Menge an Wasserdampf, der in der an die Brennstoffzellen zu liefernden Luft enthalten ist, verringert ist, um die scheinbare Konzentration von Sauerstoff in der Luft aufgrund der Tatsache zu erhöhen, daß in der Luft enthaltener Wasserdampf die Abnahme der scheinbaren Konzentration an Sauerstoff in der gesamten Luft bewirkt.
  • Typische mit Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen ausgestattete Brennstoffzellensysteme sind für gewöhnlich derart ausgestaltet, daß die an die Brennstoffzellen zu liefernde Luft befeuchtet wird, um das Trocknen der Elektrolytfilme der Brennstoffzellen zu vermeiden. Solche Systeme weisen jedoch, wie weiter unten diskutiert, zwei Probleme auf.
  • Die Versorgung der Zellen mit nicht befeuchteter Luft erleichtert das Trocknen der Elektrolytfilme der Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen sind üblicherweise derart angeordnet, daß sie miteinander überlappen zum Bilden eines Brennstoffzellenstapels.
  • Der Brennstoffzellenstapel ist derart aufgebaut, daß Luft und Brennstoffgas zu jeder der Brennstoffzellen zugeführt wird. Ein Abschnitt des Elektrolytfilms nahe einem Lufteinlaß jeder der Brennstoffzellen ist am empfindlichsten für das Trocknen. Der übrige Abschnitt wird weniger getrocknet als derjenige nahe dem Lufteinlaß, da durch die Leistungserzeugung der Zelle erzeugtes Wasser durch einen in der Zelle ausgebildeten Luftflußpfad fließt und sich in ihm ansammelt. Üblicherweise tritt ein solches Trocknen des Elektrolytfilms meist zu Beginn des Betriebs des Brennstoffzellenstapels auf, da vor dem Beginn noch kein Wasser durch die Aktivitäten der Brennstoffzellen erzeugt wird.
  • Das zweite Problem ist, daß das durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzellen erzeugte Wasser verdampft und mit der Luft gemischt wird, was zu einer Abnahme der scheinbaren Konzentration von Sauerstoff in der gesamten an die Brennstoffzellen gelieferten Luft führt.
  • Insbesondere besteht jede der Brennnstoffzellen typischerweise aus einer Anordnung aus einer Luftelektrode, einer Brennstoffelektrode und einem Elektrolytfilm, der zwischen der Luft- und der Brennstoffelektrode angeordnet ist, sowie die Anordnung aufnehmende Separatoren. Die Separatoren weisen einen darin ausgebildeten Luftflußpfad bzw. Brennstoffgasflußpfad auf. Wenn die Luft der Luftelektrode zugeführt und Brennstoffgas der Brennstoffelektrode zugeführt wird, führt dies zu einer Erzeugung von Wasser auf der Luftelektrode. Wenn das Wasser verdampft und mit der durch den Luftflußpfad der Zelle fließenden Luft vermischt wird, führt dies zu einem Abfall der scheinbaren Konzentration an Sauerstoff in der gesamten Luft. Dies eliminiert den Wert der Versorgung der Brennstoffzellen mit nicht befeuchteter Luft.
  • Die obigen Probleme treten besonders an einem Luftauslaß des Luftflußpfades jeder der Zellen auf, da das Wasser in dem Luftflußpfad zu dem Luftauslaß fließt und sich dort sammelt.
  • Das Erhöhen der scheinbaren Konzentration von Sauerstoff in der Luft kann auch erreicht werden durch Steuern des Umfangs der Befeuchtung der Luft innerhalb eines Bereiches, der unterhalb eines typischen liegt. Dieses Verfahren stößt jedoch auch auf die obigen Probleme.
    •
  • Es ist daher eine grundlegende Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
  • Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Aufbau eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das zum Sicherstellen der Stabilität seines Betriebs ausgebildet ist.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das in Elektroautos verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem umfaßt: (a) einen Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, beinhalten, wobei jede der Zellen auch eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode und einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten beinhaltet; (b) eine Luftzuleitung, durch die die Luft zu dem Luftflußpfad jeder der Zellen geliefert wird; (c) eine Luftableitung, durch die die aus dem Luftflußpfad der Zellen fließende Luft abgeleitet wird; (d) einen Brennstoffversorgungspfad, durch den das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen geliefert wird; (e) einen Luftflußratenregler, der derart arbeitet, daß er eine Flußrate der durch die Luftableitung fließenden Luft regelt; und (f) ein Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht. Wenn festgestellt worden ist, daß der Elektrolyt getrocknet wird, steuert das Steuergerät den Luftflußratenregler derart an, daß der Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen über einen im normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels benötigten Pegel erhöht wird, um die Geschwindigkeit des Flusses der Luft in dem Luftflußpfad zu verringern. Dies führt zu einer verlängerten Verweildauer des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs auf der Oberfläche der Luftelektrode jeder der Zellen an dem Lufteinlaß des Luftflußpfades, wodurch die Konzentration von Sauerstoff in der durch den Luftflußpfad fließenden Luft erhöht wird. Dies verstärkt die elektrochemischen Reaktionen nahe des Lufteinlasses der Zellen derart, daß eine erzeugte Menge an Wasser erhöht wird. Das Wasser wird über die Elektrotylen der Zellen diffundieren, um sie in einem gewünschten feuchten Zustand zu halten, wodurch die Stabilität des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels sichergestellt wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Luftflußratenregler durch einen Druckregler realisiert sein, der derart arbeitet, daß er einen Druck der durch die Luftableitung fließenden Luft regelt. Alternativ kann der Luftflußregler als eine Drossel ausgebildet sein.
  • Das Brennstoffzellensystem kann weiter einen Stromsensor umfassen, der zum Messen eines elektrischen Stroms ausgebildet ist, der in einem nahe einem Lufteinlaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt wird. Das Steuergerät kann den von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Strom abtasten, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Spannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine Spannung misst, die von einer der Zellen erzeugt wird. Das Steuergerät kann die von dem Spannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Gesamtspannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst. Das Steuergerät kann die von dem Gesamtspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen, um zu bestimmen, ob die Elektrolyte der Zellen getrocknet werden oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch eine Impedanzmeßschaltung beinhalten, die derart arbeitet, daß sie eine Impedanz einer der Zellen misst. Das Steuergerät kann die von der Impedanzmeßschaltung gemessene Impedanz mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Druckdifferenzregler beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine Druckdifferenz zwischen der Luft in den Luftflußpfaden der Zellen und dem Brennstoffgas in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen regelt. Das Steuergerät kann derart arbeiten, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht. Wenn bestimmt worden ist, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, spricht das Steuergerät den Druckdifferenzregler an, um den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen über einen Druck des Brennstoffgases in dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen anzuheben.
  • Der Druckdifferenzregler kann ausgebildet sein als ein Luftflußratenregler, der in der Luftableitung angeordnet ist. Das Steuergerät kann den Luftflußratenregler ansteuern, um den Druck in den Luftflußpfaden der Zellen über denjenigen in den Brennstoffgasflusspfaden anzuheben.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen ersten Drucksensor, der derart arbeitet, dass er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung mißt, und einen zweiten Drucksensor, der derart arbeitet, dass er den Druck der Luft in der Luftableitung mißt, beinhalten. Wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessenen Drücken, unterhalb diejenige fällt, bevor das Steuergerät den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen angehoben hat, beendet das Steuergerät das Anheben des Drucks der Luft in dem Luftflußpfad.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch ein Verdampfungssteuergerät beinhalten, das derart arbeitet, daß eine Wassermenge, die in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen verdampft werden soll, über diejenige in den Luftflußpfaden der Zellen ange hoben wird. Das Steuergerät kann derart arbeiten, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht. Wenn bestimmt worden ist, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, steuert das Steuergerät das Verdampfungssteuergerät an, um die Wassermenge, die in den Brennstoffgasflußpaden verdampft werden soll, über diejenige in den Luftflußpfaden anzuheben.
  • Das Verdampfungssteuergerät kann einen Gasheizer beinhalten, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt. Das Steuergerät steuert den Gasheizer zum Heizen des durch die Brennstoffgaszuleitung fließenden Brennstoffgases an, um eine Temperatur in den Brennstoffgasflußpfaden über diejenige in den Luftflußpfaden anzuheben, wodurch die Menge an Wasser, die in den Brennstoffgasflußpfaden verdampft werden soll, über diejenige in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet auch eine Zellstrombestimmungsschaltung, die derart arbeitet, daß sie einen von den Zellen erzeugten elektrischen Strom bestimmt. Das Steuergerät kann die Menge des in den Zellen erzeugten Wassers auf der Grundlage des durch die Zellstrombestimmungsschaltung bestimmten elektrischen Stroms bestimmen, kann eine gewünschte Menge des Wassers, das in den Brennstoffgasflußpfaden verdampft werden soll, auf der Grundlage der erzeugten Wassermenge und einer von den Elektrolyten der Zellen zurückzuhaltenden Wassermenge berechnen, und kann eine Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden bestimmen, die zum Erzielen der Verdampfung der gewünschten Wassermenge benötigt wird. Das Steuergerät steuert den Gasheizer derart an, daß das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt wird, um so die Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden festzulegen.
  • Das Verdampfungssteuergerät kann ein Gasflußratensteuergerät beinhalten, das derart arbeitet, daß es eine Flußrate des durch die Brennstoffgaszuleitung fließenden Brennstoffgases steuert. Das Steuergerät kann das Gasflußsteuergerät ansteuern, um die Menge des an den Brennstoffzellenstapel gelieferten Brennstoffgases zu erhöhen, wodurch die Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfenden Wassers über die in den Luftflußpfaden angehoben wird. Wenn die Differenz zwischen den von dem ersten und zweiten Drucksensor gemessenen Drücken unterhalb diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät die in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfende Wassermenge erhöht hat, kann das Steuergerät die Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfenden Wassers erhöhen.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Stromsensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt ist, und einen Temperatursensor beinhaltet, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst. Das Steuergerät bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Zellstromsensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er einen von einer der Zellen entwickelten elektrischen Strom misst. Das Steuergerät vergleicht die von dem Spannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert, um festzulegen, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Alternativ kann das Brennstoffzellensystem einen Gesamtspannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst. Das Steuergerät bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht, auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Befeuchter enthalten, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das umfaßt: (a) einen Brennstoffzellenstapel, bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, beinhalten, wobei jede der Zellen auch eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode und einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten aufweist; (b) eine Luftzuleitung, durch die Luft zu dem Luftflußpfad jeder Zelle geliefert wird; (c) eine Luftableitung, durch die die aus den Luftflußpfaden der Zellen fließende Luft abgeleitet wird; (d) einen Brennstoffversorgungspfad, durch den das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasflußpfad jeder Zelle geliefert wird; (e) einen Druckdifferenzregler, der deart arbeitet, daß er eine Druckdifferenz zwischen der Luft in den Luftflußpfaden der Zellen und dem Brennstoffgas in den Brensstoffgasflußpfaden der Zellen regelt; und (f) ein Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht. Wenn bestimmt worden ist, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, steuert das Steuergerät den Druckdifferenzregler an, um den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen anzuheben über einen Druck des Brennstoffgases in dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen, wodurch bewirkt wird, daß das Wasser, das um die Luftelektrode der Zelle in dem Luftflußpfad vorhanden ist, durch den Elektrolyten zu dem Brennstoffgasflußpfad übertragen wird. Dies minimiert die Menge an Wasser, das verdampft und mit in dem Luftflußpfad fließender Luft vermischt wird, um eine gewünschte Konzentration von Sauerstoff in der Luft sicherzustellen, was somit zu der Stabilität des Betriebs des Brennstoffzellenstapels führt.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Druckdifferenzregler als ein in der Luftableitung angeordneter Luftflußratenregler ausgebildet sein. Das Steuergerät kann den Luftflußratenregler ansteuern, um den Druck in den Luftflußpfaden der Zellen mehr als den in den Brennstoffgasflußpfaden anzuheben.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einen zweiten Drucksensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftableitung misst. Wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessenen Drücken unterhalb diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät den Druck in dem Luftflußpfad jeder der Zellen angehoben hat, beendet das Steuergerät das Anheben des Drucks der Luft in dem Luftflußpfad.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Stromsensor, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem Bereich erzeugt ist, der nahe einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definiert ist, und einen Temperatursensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst. Das Steuergerät kann auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur bestimmen, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Zellspannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er die Spannung misst, die von einer der Zellen entwickelt wird. Das Steuergerät kann die von dem Zellspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen, um zu bestimmen, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Gesamtspannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst. Das Steuergerät kann auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung bestimmen, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Befeuchter enthalten, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
  • Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das umfaßt: (a) einen Brennstoffzellenstapel bestehend aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, beinhalten, wobei jede der Zellen auch eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode und einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten umfaßt; (b) ein Verdampfungssteuergerät, das derart arbeitet, daß eine Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen zu verdampfenden Wassers über die in den Luftflußpfaden der Zellen angehoben wird; und (c) ein Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht. Wenn bestimmt wurde, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, steuert das Steuergerät das Verdampfungssteuergerät an, um die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden anzuheben, wodurch die Menge des Wassers auf der Oberfläche des Elektrolyten jeder der Zellen, die dem Brennstoffgasflußpfad gegenübersteht, unter diejenige verringert wird, die dem Luftflußpfad gegenübersteht. Dies bewirkt, daß das Wasser auf der Oberfläche des Elektrolyten, die dem Luftflußpfad gegenübersteht, zu derjenigen, die dem Brennstoffgasflußpfad gegenübersteht, durch den Elektrolyten übertritt, womit die Menge an Wasser, das verdampft und mit der in dem Luftflußpfad fließenden Luft vermischt wird, minimiert wird, um eine gewünschte Konzentration an Sauerstoff in der Luft sicherzustellen, was somit zu der Stabilität des Betriebs des Brennstoffzellenstapels führt.
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Verdampfungssteuergerät einen Gasheizer beinhalten, der derart arbeitet, daß er das Brennstoffgas, das durch die Brennstoffgaszuleitung fließt, erhitzt. Das Steuergerät steuert den Gasheizer derart an, daß das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt wird, um eine Temperatur in den Brennstoffgasflußpfaden über die in den Luftflußpfaden anzuheben, wodurch die Menge an zu verdampfendem Wasser in den Brennstoffgasflußpfaden über die in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch eine Zellstrombestimmungsschaltung beinhalten, die derart arbeitet, daß sie einen von den Zellen erzeugten elektrischen Strom bestimmt. Das Steuergerät bestimmt eine Menge des Wassers, das in den Zellen erzeugt worden ist, auf der Grundlage des von der Zellstrombestimmungsschaltung bestimmten elektrischen Stroms, berechnet eine gewünschte Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser auf der Grundlage der erzeugten Menge an Wasser und einer Menge an von dem Elektrolyten der Zellen zurückzuhaltendem Wasser, und bestimmt eine Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden, die benötigt wird zum Erreichen der Verdampfung der gewünschten Menge an Wasser. Das Steuergerät steuert den Gasheizer derart an, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt, um so die Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden festzulegen.
  • Das Verdampfungssteuergerät kann ein Gasflußratensteuergerät beinhalten, das derart arbeitet, daß es eine Flußrate des durch die Brennstoffgaszuleitung fließenden Brennstoffgases steuert. Das Steuergerät steuert das Gasflußsteuergerät derart an, daß es eine Menge des zu dem Brennstoffzellenstapel gelieferten Brennstoffgases erhöht, wodurch die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einen zweiten Drucksensor beinhalten, der einen Druck der Luft in der Luftableitung misst. Wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessenen Drücken unter diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser erhöht, beendet das Steuergerät das Erhöhen der Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Stromsensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe an einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt wird, und einen Temperatursensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst. Das Steuergerät kann auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Zellspannungssensor beinhalten, der derart arbeitet, daß er die Spannung misst, die von einer der Zellen entwickelt wird. Das Steuergerät kann die Spannung, die von dem Zellspannungssensor gemessen wird, mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen, um zu bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Gesamtspannungssensor umfassen, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst. Das Steuergerät kann auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch einen Befeuchter enthalten, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
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  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird genauer verstanden werden anhand der im Folgenden gegebenen detaillierten Beschreibung und anhand der beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, die jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf die speziellen Ausführungsformen angesehen werden sollen, sondern nur zum Zwecke der Erklärung und des Verständnisses dienen.
  • Von den Figuren zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 2(a) eine perspektivische Ansicht, die einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems aus 1 darstellt;
  • 2(b) eine perspektivische Explosionsdarstellung, die den Aufbau der Separatoren jeder der den Brennstoffzellenstapel aus 2(a) aufbauenden Brennstoffzellen zeigt;
  • 3(a) eine Draufsicht, die einen der Separatoren, wie in 2(b) veranschaulicht, mit einem darin ausgebildeten Wasserstoff-Flußpfad darstellt;
  • 3(b) eine Draufsicht, die einen der Separatoren, wie in 2(b) veranschaulicht, mit einem darin ausgebildeten Luftflußpfad darstellt;
  • 4 ein Flußablaufdiagramm eines Programms, das von dem Brennstoffzellensystem aus 1 ausgeführt werden soll, um die Elektrolytfilme der Brennstoffzellen in einem gewünschten feuchten Zustand zu halten;
  • 5 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 6 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 7 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 8 eine Draufsicht, die den Aufbau eines Separators darstellt, der in einem Brennstoffzellenstapel des in 7 veranschaulichten Brennstoffzellensystems verwendet wird;
  • 9 ein Flußablaufdiagramm eines Programms, das von dem Brennstoffzellensystem aus 7 ausgeführt werden soll, um Wasser aus einem Luftflußpfad jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels zu entfernen;
  • 10 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 11 ein Blockdiagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 12 ein Flußablaufdiagramm eines Programms, das von dem Brennstoffzellensystem aus 11 ausgeführt werden soll, um Wasser aus dem Luftflußpfad jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels zu entfernen; und
  • 13 ein Flußablaufdiagramm eines Unterprogramms, das in dem Programm aus 12 durchgeführt wird, um den Umfang des Heizens des an den Brennstoffzellenstapel zu liefernden Wasserstoffgases zu steuern.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen, worin sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile in verschiedenen Ansichten beziehen, insbesondere auf 1, ist dort ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, das ausgebildet ist zum Erhöhen des Drucks der Luft in den sich in den Brennstoffzellen erstreckenden Luftflußpfaden über denjenigen beim normalen Betrieb der Brennstoff zellen hinaus, wodurch die Brennstoffzellen in gewünschten Betriebszuständen gehalten werden.
  • Das Brennstoffzellensystem besteht im wesentlichen aus einem Brennstoffzellenstapel 1, einem Steuergerät (ECU) 2, einem Wasserstoffpfad 3, einem Luftpfad 4 und einem Kühlmittelpfad 5. Der Brennstoffzellenstapel 1 besteht z.B. aus einer Mehrzahl von Festpolymer-Elektrolyt (Protonenaustauschmembran)-Brennstoffzellen, die weiter unten mehr im Detail beschrieben werden.
  • Der Wasserstoffpfad 3 beinhaltet eine Wasserstoffzuleitung 3a, durch die Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel 1 geliefert wird, und eine Wasserstoffableitung 3b, durch die Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeleitet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet auch eine typische Wasserstoffversorgungseinrichtung (nicht dargestellt), die das Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenstapel durch die Wasserstoffzuleitung 3a liefert. In der Wasserstoffzuleitung 3a sind ein Befeuchter 6 und ein Wasserstoff-Druckreglerventil 7 angeordnet. Der Befeuchter 6 arbeitet derart, daß er das durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließende Wasserstoffgas befeuchtet. Das Wasserstoff-Druckreglerventil 7 arbeitet derart, daß es den Druck des durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließenden Wasserstoffgases regelt. Der Befeuchter 6 und das Wasserstoff-Druckreglerventil 7 werden im Betrieb durch von dem Steuergerät 2 abgegebene Befehlssignale gesteuert.
  • Der Luftpfad 4 beinhaltet eine Luftzuleitung 4a, durch die Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 1 geliefert wird, und eine Luftableitung 4b, durch die Luft aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeleitet wird.
  • Die Luftzuleitung 4a ist mit einer Luftpumpe 8 verbunden. Die Luftpumpe 8 arbeitet derart, daß sie Luft durch die Luftzuleitung 4a an den Brennstoffzellenstapel 1 liefert. Die Luftzuleitung 4a weist keinen darin angeordneten Befeuchter auf.
  • In der Luftableitung 4b sind ein Drucksensor 9 und ein Luftdruckreglerventil 10 angeordnet. Der Luftdrucksensor 9 arbeitet derart, daß er den Druck der durch die Luftableitung 4b fließenden Luft misst. Das Luftdruckreglerventil 10 arbeitet derart, daß es die Menge oder die Flußrate der durch die Luftableitung 4b fließenden Luft regelt, um den Druck der Luft innerhalb der Luftableitung 4b zu regeln.
  • Die Luftpumpe 8 und das Luftdruckreglerventil 10 werden im Betrieb durch von dem Steuergerät 2 abgegebene Befehlssignale gesteuert. Der Luftdrucksensor 9 gibt an das Steuergerät 2 ein Signal ab, das den Druck der Luft anzeigt.
  • Der Kühlmittelpfad 5 ist ein Durchgang, durch den Kühlwasser fließt, um das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 zu kühlen. Der Kühlmittelpfad 5 ist mit einem Kühlsystem (nicht dargestellt) verbunden, das das Kühlwasser an den Brennstoffzellenstapel 1 liefert.
  • Der Brennstoffzellenstapel 1 besitzt, wie deutlich in 2(a) gezeigt ist, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 20, die derart angeordnet sind, daß sie miteinander elektrisch in Serie überlappen. Der Brennstoffzellenstapel 1 besitzt außerdem an einem Ende davon ausgebildet einen Wasserstoffeinlaß 1a, einen Lufteinlaß 1b und einen Kühlmitteleinlaß 1c, durch den das Wasserstoffgas, die Luft bzw. das Kühlwasser eingespeist werden, einen Wasserstoffauslaß 1d, einen Luftauslaß 1e und einen Kühlmittelauslaß 1f durch den das Wasserstoffgas, die Luft bzw. das Kühlwasser abgeführt werden.
  • Die Wasserstoffzuleitung 3a, die Luftzuleitung 4a, die Wasserstoffableitung 3b und die Luftableitung 4b sind jeweilig mit dem Wasserstoffeinlaß 1a, dem Lufteinlaß 1b, dem Wasserstoffauslaß 1d bzw. dem Luftauslaß 1e verbunden. Der Kühlmittelpfad 5 erstreckt sich durch den Kühlmitteleinlaß 1c und den Kühlmittelauslaß 1f. Es sei bemerkt, daß in 1 die Wasserstoffzuleitung 3a, die Luftableitung 4b und der Kühlmittelpfad 5 derart dargestellt sind, daß sie mit einem rechten Ende des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden sind, während die Wasserstoffableitung 3b, die Luftzuleitung 4a und der Kühlmittelpfad 5 Zwecke der Veranschaulichung derart dargestellt sind, daß sie mit einem linken Ende des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden sind.
  • Jede der Zellen 20 ist, wie in 2(b) deutlich dargestellt ist, aus einer MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) 21 und an die Enden der MEA 21 befestigte Separatoren 22 aufgebaut.
  • Jeder der Separatoren 22 besteht aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material, wie z.B. Kohlenstoff, und besitzt darin ausgebildet einen Wasserstoffeinlaß 22a, einen Lufteinlaß 22b und einen Kühlmitteleinlaß 22c, durch den das Wasserstoffgas, die Luft und das Kühlmittel in die Zelle 20 eintreten, sowie einen Wasserstoffauslaß 22d, einen Luftauslaß 22e und einen Kühlmittelauslaß 22f durch den das Wasserstoffgas, die Luft und das Kühlmittel aus der Zelle 20 abgeführt werden.
  • Der Wasserstoffeinlaß 22a befindet sich näher an dem Luftauslaß 22e als der Wasserstoffauslaß 22d. Der Wasserstoffauslaß 22d befindet sich näher an dem Lufteinlaß 22b als der Wasserstoffeinlaß 22a.
  • Jeder der Separatoren 22 besitzt eine Brennstoffelektroden-ausgesetzte Oberfläche, die einer Brennstoffelektrode der MEA 21 gegenüberliegt, und eine Luftelektroden-ausgesetzte Oberfläche, die einer Luftelektrode der MEA 21 gegenüberliegt. Die Brennstoffelektroden-ausgesetzte Oberfläche besitzt, wie deutlich in 3(a) gezeigt ist, eine darin ausgebildete wellenförmige Nut, die einen Wasserstoff-Flußpfad 23 definiert, der sich von dem Wasserstoffeinlaß 22a zu dem Wasserstoffauslaß 22d erstreckt. Die Luftelektroden-ausgesetzte Oberfläche besitzt, wie deutlich in 3(b) dargestellt ist, eine darin ausgebildete wellenförmige Nut, die einen Luftflußpfad 24 definiert, der sich von dem Lufteinlaß 22b zu dem Luftauslaß 22e erstreckt.
  • Jeder der Separatoren 22 besitzt auch einen Kühlmittelflußpfad (nicht dargestellt), der sich innerhalb des Separators 22 erstreckt.
  • Das aus der Wasserstoffzuleitung 3a fließende Wasserstoffgas tritt in den Brennstoffzellenstapel an dem Wasserstoffeinlaß 1a ein, bewegt sich nacheinander durch die Wasserstoff-Flußpfade 23 von den Wasserstoffeinlässen 22a zu den Wasserstoffauslässen 22d der Zellen 20 und tritt aus dem Wasserstoffauslaß 1d des Brennstoffzellenstapels 1 in die Wasserstoffableitung 3b ein.
  • Die aus der Luftzuleitung 4a fließende Luft tritt in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 an dem Lufteinlaß 1b ein, bewegt sich nacheinander durch die Luftflußpfade 24 von den Lufteinlässen 22b zu den Luftauslässen 22e der Zellen 20 und tritt aus dem Luftauslass 1e des Brennstoffzellenstapels 1 in die Luftableitung 4b ein.
  • Das innerhalb des Kühlmittelpfades 5 fließende Kühlwasser tritt in das Innere des Brennstoffzellenstapels 1 an dem Kühlmitteleinlaß 1c ein, bewegt sich nacheinander durch die Zellen 20 von den Kühlmitteleinlässen 22c zu den Kühlmittelauslässen 22f und tritt aus dem Kühlmittelauslass 1f des Brennstoffzellenstapels 1 in den Kühlmittelpfad 5 ein.
  • Die MEA 21 jeder der Zellen 20 besteht aus einem Elektrolytfilm aus einer protonenleitfähigen Ionen-Austauschmembran und einem Paar von an dem Elektrolytfilm befestigten Elektroden. Jede der Elektroden beinhaltet eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht. Eine der Elektroden dient, wie oben beschrieben, als die Luftelektrode (d.h. positive Elektrode), die der Luft (d.h. dem Oxidationsmittelgas, auch Kathodengas genannt) ausgesetzt ist. Die andere Elektrode dient als die Brennstoffelektrode (d.h. negative Elektrode), die dem Wasserstoffgas (d.h. dem Brennstoffgas, auch Anodengas genannt) ausgesetzt ist.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 arbeitet jede der Zellen 20 derart, daß sie durch elektrochemische Reaktionen der Sauerstoff enthaltenden Luft, die an die Luftelektrode geliefert wird, und des Wasserstoffgases, das an die Brennstoffelektrode geliefert wird, erzeugte Energie in elektrische Energie umwandelt. Das Wasser wird außerdem an der Luftelektrode erzeugt. Die elektrochemischen Reaktionen haben folgende Form:
    Brennstoffelektrode: H2 → 2H+ + 2e–
    Luftelektrode: 2H+ + 1/2O2 + 2e– → H2O
  • Der Brennstoffzellenstapel 2 enthält außerdem, wie in 1 und 2(a) dargestellt, eine Stromsensorplatte 11, die zwischen den zwei in der Mitte benachbarten Zellen 20 angeordnet ist. Die Stromsensorplatte 11 arbeitet derart, daß sie einen elektrischen Strom (oder lokalen Strom) misst, der in einem bestimmten, wie in 3(b) veranschaulicht, nahe dem Lufteinlaß 22b auf der Oberfläche einer der Zellen 20 definierten Bereich 26 erzeugt wird. Die Stromsensorplatte 11 kann auch derart gestaltet sein, daß sie den Strom misst, der in den Bereichen 26 von einigen der Zellen 20 erzeugt wird.
  • Die Stromsensorplatte 11 z.B. ist aus einem leitfähigen Material und besteht aus einem leitfähigen Abschnitt und einem Sensorelement. Der leitfähige Abschnitt ist zwischen den Zellen 20 angeordnet, wobei er damit elektrisch verbunden ist. Das Sensorelement arbeit derart, daß es den durch den leitfähigen Abschnitt fließenden Strom misst und ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt. Eine zusätzliche oder einige Stromsensorplatten, die im Aufbau identisch sind mit den Stromsensorplatten 11, können außerdem in den Brennstoffzellenstapel 1 eingebaut sein. Zum Beispiel können sie entweder auf der rechten oder auf der linken oder auf beiden Seiten der Stromsensorplatte 11, wie in 1 veranschaulicht, angeordnet sein.
  • Das Steuergerät 2 arbeitet, wie in 1 zu sehen ist, derart, daß es Befehlssignale abgibt, um den Betrieb des Befeuchters 6, des Wasserstoffdruckreglerventils 7, der Luftpumpe 8 und des Luftdruckreglerventils 10 zu steuern. Das Steuergerät 2 empfängt außerdem die Ausgangssignale von dem Luftdrucksensor 9 und der Stromsensorplatte 11.
  • Das Steuergerät 2 arbeitet außerdem derart, daß es einen Elektrolytfeuchthaltebetrieb durchführt, wie später im Detail beschrieben werden wird, und ist mit einem Speicher ausgestattet, der einen Stromschwellwert speichert, auf den später Bezug genommen werden wird. Das Steuergerät 2 kann auch als eine üblicher Microcomputer bestehend aus einer CPU, einem ROM und einem RAM sowie einer peripheren Schaltung ausgebildet sein.
  • 4 ist ein Flußablaufdiagramm eines Elektrolytfeuchthalteprogramms, das von dem Steuergerät 2 ausgeführt werden soll. Dieses Programm wird beim Start des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 initiiert und zyklisch durchgeführt.
  • Wenn es eingeschaltet wird, setzt das Brennstoffzellensystem die Wasserstoff-Versorgungsvorrichtung und die Luftpumpe 8 in Gang, um das Wasserstoffgas und die Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 zu liefern, um den Elektrizitätserzeugungsbetrieb zu starten. Gleichzeitig schaltet das Steuergerät 2 den Befeuchter 6 ein, um das durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließende Wasserstoffgas zu befeuchten. Die durch die Luftzuleitung 4a fließende Luft wird nicht befeuchtet.
  • Die Stromsensorplatte 11 misst den in dem Bereich 26 der Zelle 20 nahe dem Lufteinlaß 22b erzeugten Strom und gibt ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 ab.
  • Zunächst, in Schritt 31, überwacht das Steuergerät 2 oder tastet den Ausgang von der Stromsensorplatte 11 ab, um den in dem Bereich 26 der Zelle 20 erzeugten Strom zu bestimmen.
  • Das Programm schreitet fort zu Schritt 32, in dem bestimmt wird, ob der in Schritt 31 bestimmte Strom geringer ist als ein in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeicherter Schwellwert oder nicht. Wenn der Elektrolytfilm der Zelle 20 getrocknet wird, führt das für gewöhnlich zu einem Abfall des Ausgangs der Zelle 20. Auf der Grundlage dieser Tatsache überwacht der Schritt 32 die Größe des in dem Bereich 26 nahe dem Lufteinlass 22b der Zelle 20 erzeugten Stroms, um zu bestimmen, ob die Fläche 26 getrocknet wird oder nicht. In dem Fall, in dem die Mehrzahl der Stromsensorplatten 11 in dem Brennstoffzellenstapel 1 eingebaut sind, vergleicht Schritt 32 jedes der Ausgangssignale von den Stromsensorplatten 11 mit dem Schwellwert. Wenn zumindest eines der Ausgangssignale geringer ist als der Schwellwert, wird die Antwort JA erhalten.
  • Der Schwellwert, wie er in Schritt 32 verwendet wird, kann z.B. 0,5A/cm2 sein, ausgewählt aus einer I-U-Aufzeichnung, wie sie im voraus vorbereitet worden ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 im normalen Betrieb ist und wenn die Zelle 20 trocken ist.
  • Wenn die Antwort JA im Schritt 32 erhalten wurde, d.h. der in Schritt 31 gemessene Strom kleiner ist als der Schwellwert, das bedeutet, daß die Zelle 20 trocken wird, schreitet das Programm zu Schritt 33 fort. Alternativ, wenn die Antwort NEIN erhalten wird, endet das Programm.
  • In Schritt 33 überwacht das Steuergerät 2 einen Ausgang von dem Luftdrucksensor 9 und gibt das Befehlssignal zu dem Luftdruckreglerventil 10, um den Druck der durch die Luftableitung 4b fließenden Luft schnell auf einen festgesetzten Pegel anzuheben. Der festgesetzte Pegel wird höher als der Druck der Luft gewählt, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 normal arbeitet, und niedriger als der Druck gewählt, dem der Brennstoffzellenstapel 1 standhält. Der normale Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 stellt einen stetigen Betrieb davon dar, bei dem der Brennstoffzellenstapel 1 einen gewünschten Pegel an elektrischer Leistung erzeugt. Der Druck, dem der Brennstoffzellenstapel 1 standhält, ist ein maximaler Druck, der zu keiner Leckage von Gas durch Dichtungen wie z.B. Dichtringen in dem Brennstoffzellenstapel 1 führt.
  • Der Druck in den Luftableitungen 4b ist in etwa 50kPa, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 normal arbeitet. Der festgesetzte Pegel kann z.B. 150kPa sein.
  • Nach Schritt 33 schreitet das Programm zu Schritt 34 fort, in dem das Steuergerät 2 den Ausgang von der Stromsensorplatte 11 abtastet, um wieder den in dem Bereich 26 der Zelle 20 erzeugten Strom zu bestimmen.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 35 fort, in dem bestimmt wird, ob der Strom, der in Schritt 33 bestimmt wurde, größer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht. Diese Bestimmung wird gemacht, um zu bestimmen, ob der Elektrolytfilm der Zelle 20 nahe dem Lufteinlaß 22b feucht geworden ist oder nicht, auf der Grundlage der Tatsache, daß wenn der Elektrolytfilm getrocknet ist, dies zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands davon führt, was somit zu einem Abfall der durch die Zelle 20 erzeugten Elektrizität führt, während es zu einem Anstieg der durch die Zelle 20 erzeugten Elektrizität führt, wenn der Elektrolytfilm in einen feuchten Zustand zurückkehrt. In dem Fall, in dem die Mehrzahl von Stromsensorplatten 11 in dem Brennstoffzellenstapel 1 eingebaut sind, vergleicht Schritt 35 jedes der Ausgangssignale von den Stromsensorplatten 11 mit dem Schwellwert. Wenn zumindest eines der Ausgangssignale größer ist als der Schwellwert, wird die Antwort JA erhalten.
  • Der Schwellwert, der in Schritt 35 verwendet wird, kann der gleiche wie in Schritt 32 oder auf einen anderer Wert (z.B. 1,0A/cm2) festgesetzt sein.
  • Wenn in Schritt 35 die Antwort JA erhalten wird, was bedeutet, daß der nun erzeugte Strom größer ist als der Schwellwert, d.h. der Elektrolytfilm der Zelle 20 in einen gewünschten feuchten Zustand gesetzt ist, schreitet das Programm zu Schritt 36 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, kehrt das Programm zu Schritt 34 zurück.
  • In Schritt 36 steuert das Steuergerät 2 das Luftdruckreglerventil 10 derart, daß es den Druck der Luft in der Luftableitung 4b auf den anfänglichen Pegel (d.h. den Pegel vor Schritt 33) absenkt.
  • Die Merkmale des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform werden unten beschrieben werden.
  • Das Steuergerät 2 ist ausgebildet zum Bestimmen in Schritt 32, ob der Strom, der in dem Bereich 26 nahe dem Lufteinlaß 22b der Zelle 20 erzeugt wird, geringer ist als der Schwellwert ist oder nicht, d.h. ob der Elektrolytfilm der Zelle 20 getrocknet wird oder nicht. Wenn bestimmt wird, daß der Elektrolytfilm getrocknet wird, erhöht das Steuergerät 2 den Druck der Luft in der Luftableitung 4b über denjenigen, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 normal arbeitet, um den Druck der Luft in den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 zu erhöhen. Dies führt zu einer verringerten Geschwindigkeit des Flusses der Luft in den Luftflußpfaden 24 jeder der Zellen 20 derart, daß die Konzentration von Sauerstoff auf der Seite des Lufteinlasses 22b erhöht wird, wodurch die elektrochemischen Reaktionen in dem Bereich 26 erhöht werden, was zur Erzeugung einer großen Menge an Wasser führen wird, das auf dem Elektrolytfilm diffundiert, um ihn zu befeuchten.
  • Besonders, wenn die nicht befeuchtete Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 geliefert wird und der Elektrolytfilm jeder der Zellen 20 in einen leicht trockenbaren Zustand gesetzt ist, besonders zu Beginn des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1, arbeitet das Brennstoffzellensystem derart, daß es das Trocknen des Elektrolytfilms vermeidet, wodurch die Stabilität des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 sichergestellt wird.
  • Wir haben Tests durchgeführt zum Einschätzen der Verbesserung der Effizienz der Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems und haben herausgefunden, daß sie verglichen damit, wenn befeuchtete Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 geliefert wird, um 4 %, und verglichen damit, wenn nicht befeuchtete Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 geliefert wird, ohne den feuchten Zustand der Zellen 20 in der oben beschriebenen Art und Weise zu steuern, um 2,7% verbessert ist.
  • Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform, wie sie oben beschreiben ist, besitzt keinen Befeuchter zum Befeuchten der Luft, die an den Brennstoffzellenstapel 1 geliefert werden soll, wodurch ermöglicht wird, daß deren Größe verringert wird.
  • Schritt 35 vergleicht, wie oben beschrieben, das Ausgangssignal der Stromsensorplatte 11 mit dem Schwellwert, um zu bestimmen, ob die Menge an von der Zelle 20 erzeugter Elektrizität angehoben wurde oder nicht, aber es könnte ausgeführt werden unter Verwendung der Rate des Anstiegs des Stroms für eine gegebene Zeitperiode, wie sie durch Überwachung einer Änderung des Ausgangs von der Stromsensorplatte 11 gefunden wird.
  • 5 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen, wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Steuergerät 2 ist, wie später im Detail beschrieben werden wird, derart ausgestaltet, daß es von den Zellen 20 entwickelte Spannungen, die von dem Brennstoffzellenstapel 1 entwickelte Gesamtspannung oder die Impedanzen der Zellen 20 überwacht, um zu bestimmen, ob die Zellen 20 getrocknet werden oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet ein Zellenüberwachungsgerät 12, das die an jeder der Zellen 20 auftretende Spannung überwacht oder misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt. Das Zellenüberwachungsgerät 12 kann derart ausgebildet sein, daß es Spannungen misst, die nur von einigen der Zellen erzeugt werden.
  • Das Steuergerät 2 ist derart ausgebildet, daß es ein Programm ausführt, das ähnlich dem einem aus 4 ist, mit der Ausnahme, wie sie unten beschrieben ist.
  • Zunächst tastet das Steuergerät 2 in Schritt 31 die Ausgänge von dem Zellenüberwachungsgerät 12 ab, die jeweils die von den Zellen 20 entwickelten Spannungen anzeigen.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 32 fort, in dem bestimmt wird, ob jede der Spannungen, die in Schritt 31 abgetastet wurden, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht. Für gewöhnlich, wenn der Elektrolytfilm jeder der Zellen 20 nahe dem Lufteinlaß 22b getrocknet wird, verursacht dies, daß ein I-U-Zusammenhang der Zellen 20 verschieden ist von dem, wenn der Elektrolytfilm ausreichend feucht ist. Besonders wenn der Elektrolytfilm der Zelle 20 auf der Seite des Lufteinlasses 22b getrocknet ist, führt dies zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands des Elektrolytfilm, was somit zu einem Abfall der Spannung der Zelle 20 führt. Auf der Grundlage dieser Tatsache überwacht Schritt 32 den Pegel der Spannung jeder der Zellen 20, um zu bestimmen, ob ein Bereich des Elektrolytfilms nahe dem Lufteinlaß 22b trocken wird oder nicht.
  • Der Schwellwert, der in Schritt 32 verwendet wird, kann von einer I-U-Aufzeichnung ausgewählt werden, die im voraus vorbereitet wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 normal arbeitet und wenn die Zelle 20 getrocknet ist.
  • Wenn die Antwort JA im Schritt 32 erhalten wird, was bedeutet, daß zumindest eine der Spannungen der Zellen 20 geringer ist als der Schwellwert, dann schreitet das Programm zu Schritt 33 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, was bedeutet, daß die Spannungen aller Zellen 20 größer sind als der Schwellwert, dann endet das Programm. Der Betrieb des Schrittes 33 ist identisch mit dem bei der ersten Ausführungsform, und die Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 34 fort, in dem das Steuergerät 2 die Ausgänge von dem Zellenüberwachungsgerät 12 nochmals abtastet.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 35 fort, in dem bestimmt wird, ob die Spannungen, die in Schritt 34 abgetastet wurden, größer sind als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht.
  • Wenn die Antwort JA in Schritt 35 erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 36 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann kehrt das Programm zu Schritt 34 zurück.
  • Das Brennstoffzellensystem kann außerdem, wie in S dargestellt, einen Spannungssensor 13 beinhalten, der derart arbeitet, daß er eine über dem Brennstoffzellenstapel 1 auftretende Gesamtspannung misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt.
  • Wie oben führt das Steuergerät 2 ein Programm ähnlich dem einen aus 4 mit der Ausnahme wie unten beschrieben aus.
  • Zuerst tastet das Steuergerät 2 in Schritt 31 einen Ausgang von dem Spannungssensor 13 ab, der die über dem Brennstoffzellenstapel 1 entwickelte Gesamtspannung anzeigt.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 32 fort, in dem bestimmt wird, ob die Spannung, die in Schritt 31 abgetastet wurde, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht. Für gewöhnlich werden die Elektrolytfilme aller Zellen 20 nahe den Lufteinlässen 22b gleichzeitig getrocknet, was zu einem Abfall der über dem Brennstoffzellenstapel 1 auftretenden Spannung führt. Auf der Grundlage dieser Tatsache tastet Schritt 32 den Pegel der Spannung des Brennstoffzellenstapels 1 ab, um zu bestimmen, ob in einem Bereich des Elektrolytfilms nahe des Lufteinlasses 22b jede der Zellen 20 trocken wird oder nicht.
  • Wenn in Schritt 32 die Antwort JA erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 33 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann endet das Programm. Der Betrieb des Schritts 33 ist identisch mit dem der ersten Ausführungsform, und die Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 34 fort, in dem das Steuergerät 2 den Ausgang von dem Spannungssensor 13 wieder abtastet.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 35 fort, in dem bestimmt wird, ob die Spannung, die in Schritt 34 abgetastet wurde, größer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht.
  • Wenn in Schritt 35 die Antwort JA erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 36 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann kehrt das Programm zu Schritt 34 zurück.
  • Das Brennstoffzellensystem kann mit einem Impedanzüberwachungsgerät (nicht dargestellt) anstelle des Zellenüberwachungsgeräts 12 ausgestattet sein. Das Impedanzüberwachungsgerät arbeitet derart, daß es die Impedanz jeder der Zellen 20 nahe den Lufteinlässen 22b misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt. Das Impedanzüberwachungsgerät kann derart ausgebildet sein, daß es die Impedanzen von einigen der Zellen 20 misst.
  • Wenn der Elektrolytfilm jeder der Zellen 20 getrocknet ist, wird dies für gewöhnlich zu einem Anstieg der Impedanz der Zellen 20 führen. Wenn z.B. der Elektrolytfilm in dem feuchten Zustand ist, ist die Impedanz gleich 10mΩ. Wenn der Elektrolytfilm in dem trockenen Zustand ist, ist die Impedanz 100mΩ.
  • Das Steuergerät 2 arbeitet derart, daß es das oben beschriebene Programm unter Verwendung der Ausgangssignale des Impedanzüberwachungsgeräts anstelle der Ausgangssignale des Zellenüberwachungsgeräts 12 ausführt.
  • 6 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen, die bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet Auswahlventile (auch Wegeventile genannt) 16 und ein Drosselventil oder eine Drossel 14 anstelle des Luftdruckreglerventils 10, wie es bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die Auswahlventile 16 sind in Serie mit der Luftableitung 4b angeordnet und werden im Betrieb durch das Steuergerät 2 gesteuert. Eine Bypassleitung 15 erstreckt sich parallel zu der Luftableitung 4b zwischen den Auswahlventilen 16. Die Drossel 14 ist in der Bypassleitung 15 angeordnet, um die Flußrate der durch die Bypassleitung 15 fließenden Luft zu verringern. Die Drossel 14 kann als eine Blende ausgebildet sein.
  • Das Steuergerät 2 ist derart ausgebildet, daß es das gleiche Programm wie in 4 ausführt. Wenn es in Schritt 33 erforderlich ist, den Druck der Luft in der Luftableitung 4b anzuheben, steuert das Steuergerät 2 die Auswahlventile 16 derart an, daß sie einen Abschnitt der Luftableitung 4b zwischen den Auswahlventilen 16 absperren und die Luft durch die Bypassleitung 15 leiten, in der die Drossel 14 eingebaut ist. Die Drossel 14 arbeitet derart, daß sie die Flußrate der hindurchtretenden Luft auf einen konstanten Wert absenkt, was zu einem Anheben des Drucks der durch den Luftflußpfad 24 jeder der Zellen 20 fließenden Luft führt.
  • Andere Anordnungen sind identisch mit denjenigen bei der ersten Ausführungsform, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • 7 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung. Die gleichen Bezugszeichen, wie sie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Brennstoffzellensystem ist derart ausgebildet, daß der Druck in den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 über den in den Wasserstoff-Flußpfaden 23 angehoben wird, wenn das Wasser, das durch die chemische Reaktion erzeugt wird, in den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 vorhanden ist.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Wasserstoffgas-Drucksensor 41, einen Luftdrucksensor 42 und einen Temperatursensor 43. Der Wasserstoffgas-Drucksensor 41 ist in der Wasserstoffzuleitung 3a angeordnet und arbeitet derart, daß er den Druck des durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließenden Wasserstoffgases misst, um ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abzugeben. Der Luftdrucksensor 42 ist in der Luftzuleitung 4a angeordnet und arbeitet derart, daß er den Druck der durch die Luftzuleitung 4a fließenden Luft misst, um ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abzugeben. Der Temperatursensor 43 arbeitet derart, daß er die Temperatur der Luft in der Luftableitung 4b misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet auch die Stromsensorplatte 11, die anders als bei der ersten Ausführungsform derart ausgebildet ist, daß sie den Strom misst, der wie in 8 veranschaulicht, in einem nahe dem Luftauslaß 22e des in dem Separator 22 der Zelle 20 ausgebildeten Luftflußpfades definierten Bereich 27 erzeugt wird.
  • Das Steuergerät 2 arbeitet derart, daß es ein Wasserbeseitigungsprogramm ausführt, wie in 9 veranschaulicht, um das Wasser zu entfernen, das in den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 erzeugt ist.
  • Das Wasserbeseitigungsprogramm wird beim Start des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 initiiert und in gegebenen Zeitabständen ausgeführt.
  • Wenn es eingeschaltet wird, setzt das Brennstoffzellensystem die Wasserstoff-Versorgungsvorrichtung und die Luftpumpe 8 in Gang, um das Wasserstoffgas und die Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zu liefern, um den Elektrizitätserzeugungsbetrieb zu starten. Gleichzeitig gibt das Steuergerät 2 das Befehlssignal an den Befeuchter 6 ab, um das Wasserstoffgas, das durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließt, zu befeuchten. Die durch die Luftzuleitung 4a fließende Luft ist nicht befeuchtet.
  • Die Stromsensorplatte 11 mißt den in dem Bereich 27 der Zelle 20 nahe dem Luftauslaß 22e erzeugten Strom und gibt ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 ab.
  • Zuerst tastet das Steuergerät 2 in Schritt 51 den Ausgang von der Stromsensorplatte 11 ab, um den in dem Bereich 27 der Zelle 20 erzeugten Strom zu bestimmen.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 52 fort, in dem bestimmt wird, ob der Strom, wie er in Schritt 51 abgetastet wurde, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht, um zu bestimmen, ob Wasser in den Luftflußpfaden 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht.
  • Wenn eine große Menge an Wasser um den Luftauslaß 22e der Zelle 20 vorhanden ist, wird dies für gewöhnlich die Diffusion des Wassers auf dem Elektrolytfilm der Zelle 20 stören, was zu einer Abnahme der von der Zelle 20 erzeugten Menge an Elektrizität führt. Das Wasser in dem Luftflußpfad 24 fließt für gewöhnlich in Richtung des Luftauslasses 22e, so daß die größte Menge an Wasser um den Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 vorhanden sein wird. Auf der Grundlage dieser Tatsache tastet Schritt 52 den Pegel des im Bereich 27 nahe des Luftauslasses 22e der Zelle 20 erzeugten Stroms ab, um zu bestimmen, ob Wasser um den Luftauslaß 22e vorhanden ist oder nicht.
  • Wenn in Schritt 52 die Antwort JA erhalten wird, was bedeutet, daß der Strom, wie er in Schritt 51 abgetastet wurde, geringer ist als der Schwellwert, d.h. daß Wasser um den Luftauslaß 22e vorhanden ist derart, daß die Leistungserzeugung der Zelle 22 gestört wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 53 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann endet das Programm.
  • In Schritt 53 tastet das Steuergerät 2 einen Ausgang von dem Temperatursensor 43 ab, der in die Luftableitung 4b eingebaut ist.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 54 fort, in dem bestimmt wird, ob die Temperatur, wie sie in Schritt 53 abgetastet wurde, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht, um zu bestimmen, ob das Wasser innerhalb des Luftflußpfades der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht.
  • Wenn die Temperatur nahe dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 22 geringer ist, wird dies für gewöhnlich die Kondensation (d.h. Verflüssigung) des Wasserdampfes erleichtern, um Wasser in dem Luftflußpfad 24 zu erzeugen. Auf der Grundlage dieser Tatsache analysiert das Steuergerät 2 die Temperatur in der Luftableitung 4b, um zu bestimmen, ob die Temperatur nahe des Luftauslasses 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 die Temperatur ist, welche die Kondensation des Wasserdampfes herbeiführt oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die Temperatur nahe dem Luftauslass 22e auf den die Kondensation des Wasserdampfes bewirkenden Pegel abgefallen ist, bestimmt das Steuergerät 2, daß die Menge an Wasser, die die Leistungserzeugung stören wird, nahe dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 vorhanden ist.
  • Wenn die Antwort NEIN im Schritt 54 erhalten wird, was bedeutet, daß das Wasser nicht in dem Luftflußpfad 24 vorhanden ist, dann endet das Programm. Wenn alternativ die Antwort JA erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 55 fort, in dem das Steuergerät 2 die Ausgänge von dem Luftdrucksensor 9, der in die Luftableitung 4b eingebaut ist, und dem Wasserstoffgasdrucksensor 41, der in die Wasserstoffzuleitung 3a eingebaut ist, abtastet und das Luftdruckreglerventil 10 derart steuert, daß der Druck der durch die Luftableitung 4b fließenden Luft auf einen festgelegten Pegel angehoben wird, um so eine Differenz zwischen dem Druck der Luft in der Luftableitung 4b und dem Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a innerhalb eines vorgegebenen Druckbereiches zu halten.
  • Der Druckbereich ist z.B. 5kPa oder mehr, d.h. eine Druckdifferenz zwischen der Luft in der Luftableitung 4b und dem Wasserstoffgas in der Wasserstoffzuleitung 3a wird bewirken, daß auf der Seite der Luftelektrode jeder der Zellen 20 vorhandenes Wasser durch den Elektrolytfilm zu der Brennstoffelektrode wandert.
  • Nach Schritt 55 schreitet das Programm zu Schritt 56 fort, in dem das Steuergerät 2 Ausgänge von dem Luftdrucksensor 42, der in die Luftzuleitung 4a eingebaut ist, und dem Luftdrucksensor 9, der in die Luftableitung 4b eingebaut ist, abtastet.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 57 fort, in dem bestimmt wird, ob eine Differenz zwischen den Ausgängen, die in Schritt 56 abgetastet wurden, d.h. eine Differenz des Drucks der Luft zwischen der Luftzuleitung 4a und der Luftableitung 4b, die gleich einer Druckdifferenz zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 ist, unterhalb diejenige gefallen ist, bevor der Druck der Luft in der Luftableitung 4b in Schritt 55 angehoben wurde oder nicht. Die Druckdifferenz vor der Ausführung des Schritts 55 wird bestimmt durch Abtasten der Ausgänge von den Luftdrucksensoren 9 und 42 vor Schritt 55 und gespeichert als ein Schwellwert, der die Druckdifferenz zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 anzeigt.
  • Wenn das Wasser um den Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 vorhanden ist, wird dies für gewöhnlich zu einem Abfall des Drucks der durch den Luftflußpfad 24 fließenden Luft führen. Auf der Grundlage dieser Tatsache analysiert das Steuergerät 2 die Differenz des Drucks der Luft zwischen der Luftzuleitung 4a und der Luftableitung 4b (d.h. die Druckdifferenz zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24), um zu bestimmen, ob das Wasser durch den Elektrolytfilm von dem Luftflußpfad 24 zu dem Wasserstoff-Flußpfad 23 der Zelle 20 gewandert ist oder nicht.
  • Wenn die Antwort JA im Schritt 57 erhalten wurde, was bedeutet, daß die Druckdifferenz zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 abgenommen hat, so daß das Wasser aus dem Luftflußpfad 24 der Zelle 20 verschwunden ist, dann endet das Programm. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 58 fort und verweilt für eine vorgegebene Zeitspanne.
  • Nach Ablauf der gegebenen Zeitspanne in Schritt 58 schreitet das Programm zu Schritt 59 fort, in dem das Steuergerät 2 die Ausgänge von dem Luftdrucksensor 9, der in die Luftableitung 4b eingebaut ist, und dem Wasserstoffgasdrucksensor 41, der in die Wasserstoffzuleitung 3a eingebaut ist, abtastet. Das Programm schreitet zu Schritt 60 fort, in dem bestimmt wird, ob der Druck der Luft in der Luftableitung 4b größer ist als der Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a oder nicht, um zu bestimmen, ob die Differenz zwischen dem Druck der Luft in der Luftableitung 4b und dem Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a innerhalb des vorgegebenen Druckbereichs liegt oder nicht.
  • Wenn die Antwort JA erhalten wird, was bedeutet, daß der Druck der Luft in der Luftableitung 4b größer ist als der Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a, dann kehrt das Programm zu Schritt 56 zurück. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann kehrt das Programm zu Schritt 55 zurück, um den Druck der durch die Luftableitung 4b fließenden Luft zu erhöhen.
  • Die Merkmale des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform werden unten beschrieben werden.
  • Das Steuergerät 2 ist derart ausgestaltet, daß es in Schritt 52 bestimmt, ob der Strom, der in dem Bereich 27 nahe dem Luftauslaß 22e der Zelle 20 erzeugt ist, geringer ist als der Schwellwert oder nicht, d.h. ob eine unerwünschte Menge an Wasser nahe dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht. Wenn sowohl in Schritt 52 als auch in Schritt 54 die Antwort JA erhalten wird, steuert das Steuergerät 2 das Luftdruckreglerventil 10 derart an, daß der Druck der Luft in der Luftableitung 4b über den Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a erhöht wird.
  • Wenn viel Wasser auf der Seite der Luftelektrode jeder der Zellen 20 erzeugt worden ist, fließt es für gewöhnlich zu dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24, so daß eine große Menge des Wassers um den Luftauslaß 22e bleibt. Das Steuergerät 2 analysiert, ob das Wasser nahe dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in dem Luftflußpfad 24 vorhanden ist. Wenn bestimmt worden ist, daß Wasser in dem Luftflußpfad 24 vorhanden ist, erhöht das Steuergerät 2 den Druck in dem Luftflußpfad 24 jeder der Zellen 20 über den in dem Wasserstoff-Flußpfad 23, um das Wasser, das durch die Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 1 erzeugt ist, von dem Luftflußpfad 24 zu dem Wasserstoff-Flußpfad 23 durch den Elektrolytfilm jeder der Zellen 20 zu übertragen. Dies verhindert, daß das Wasser nahe dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 verdampft und sich mit der durch den Luftflußpfad 24 fließenden Luft vermischt, wodurch ein Abfall der scheinbaren Konzentration von in der gesamten Luft in dem Brennstoffzellenstapel 1 enthaltenem Sauerstoff vermieden wird, der aus dem in dem Fluß von Luft enthaltenem Wasserdampf entsteht.
  • Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform kann wie unten beschrieben abgewandelt sein.
  • Das Erhöhen des Drucks der Luft in der Luftableitung 4b über den des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a wird erreicht nur durch Verwendung des Luftdruckreglerventils 10, das in der Luftableitung 4b angeordnet ist, es kann jedoch auch erfolgen durch Ansteuern des Wasserstoffdruckreglerventils 7 derart, daß der Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3 verringert wird.
  • Bei jeder der Zellen 20 ist wie oben beschrieben der Wasserstoffeinlaß 22a näher an dem Luftauslaß 22e als an dem Lufteinlaß 22b angeordnet. Das Übertragen des Wassers von dem Luftflußpfad 24 zu dem Wasserstoff-Flußpfad 23 jeder der Zellen 20 wird daher erreicht durch Erhöhen des Drucks der Luft in der zu dem Luftauslaß 22e führenden Luftableitung 4b über den des Wasserstoffgases in der zu dem Wasserstoffeinlaß 22a führenden Wasserstoffzuleitung 3a. Der Wasserstoffauslaß 22d kann alternativ näher an dem Luftauslaß 22e als dem Lufteinlaß 22b angeordnet sein. In diesem Fall wird das Übertragen des Wassers von dem Luftflußpfad 24 zu dem Wasserstoff-Flußpfad 23 erreicht durch Erhöhen des Drucks der Luft in der zu dem Luftauslaß 22e führenden Luftableitung 4b über den des Wasserstoffgases in der zu dem Wasserstoffauslaß 22d führenden Wasserstoffableitung 3b, um den Druck in dem Luftflußpfad 24 mehr als den in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 zu erhöhen. Ein solches Erhöhen des Drucks der Luft in der Luftableitung 4b kann erreicht werden durch Verwenden des Luftdruckreglerventils 10 oder durch Einbauen eines Wasserstoffdruckreglerventils in die Wasserstoffableitung 3b, um den Druck des Wasserstoffgases zu verringern.
  • Das Steuergerät 2 ist wie oben beschrieben derart ausgebildet, dass es in Schritt 52 bestimmt, ob der Strom in dem Bereich 27 nahe dem Luftauslaß 22e der Zelle 20 geringer ist als der Schwellwert oder nicht, und es außerdem in Schritt 54 bestimmt, ob die Temperatur in der Luftableitung 4b geringer ist als der Schwellwert oder nicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht. Jedoch können alternativ in den Schritten 52 und 54 Bestimmungen dahingehend gemacht werden, ob eine Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 1 erfüllt ist, die eine große Menge an Wasser erzeugt, und können im voraus durch eine Beziehung zwischen der Stromdichte der Zellen 20 und der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel 1 angegeben werden. Z.B. kann das Steuergerät 2 in Schritt 52 bestimmen, ob der Strom, der von der Zelle 20 abgetastet ist, gleich 0,7A/cm2 ist oder nicht, und in Schritt 54 bestimmen, ob die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel 1 gleich 60°C ist oder nicht. Die Stromdichte der Zelle 20 kann unter Verwendung der Stromsensorplatte 11 gemessen werden. Die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel 1 kann durch Einbauen eines üblichen Temperatursensors (nicht dargestellt) in den Brennstoffzellenstapel 1 gemessen werden.
  • Das Steuergerät 2 kann alternativ den von der Stromsensorplatte 11 abgetasteten Strom für eine vorgegebene Zeitspanne überwachen und in Schritt 52 bestimmen, ob der Strom mit der Zeit oszilliert oder nicht, und bestimmen, ob das Wasser innerhalb des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht. Dies basiert auf der Tatsache, daß das um die Luftelektrode der Zelle 20 vorhandene Wasser zu einer zeitlichen Variation des Umfangs der durch die Zelle 20 erzeugten Elektrizität führt.
  • Die Sensorplatte 11 ist, wie in 8 veanschaulicht, derart ausgebildet, daß sie den Strom in dem Bereich 27 nahe dem Luftauslaß 22e der Zelle 20 mißt, kann ihn jedoch alternativ, wie die erste Ausführungsform aus dem nahe dem Lufteinlaß 22b definierten Bereich 26 abtasten, wie in 3 veranschaulicht ist. In diesem Fall führt das Steuergerät 2 das Wasserbeseitigungsprogramm aus 9 aus, das wie unten beschrieben abgewandelt ist.
  • In Schritt 51 tastet das Steuergerät 2 den in dem Bereich 26 nahe dem Lufteinlaß 22b der Zelle 20 erzeugten Strom von der Stromsensorplatte 11 ab.
  • In Schritt 52 bestimmt das Steuergerät 2, ob der abgetastete Strom größer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher gespeichert ist, oder nicht. Der Schwellwert ist verschieden von demjenigen, der bei der obigen Ausführungsform verwendet wird. Für gewöhnlich wird die Erzeugung einer größeren Menge an Strom in dem Bereich 26 zu der Produktion einer größeren Menge an Wasser führen. Wenn die Temperatur der durch den Luftflußpfad 24 der Zelle 20 fließende Luft geringer ist, wird der Druck des gesättigten Dampfes gering sein, womit bewirkt wird, daß viel Wasser in dem Luftflußpfad 24 erzeugt wird. Die Bestimmung, ob eine unerwünschte Menge an Wasser um den Luftauslaß 22e der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht, kann somit erreicht werden durch die Schritte 52 und 54.
  • Anstelle des Luftdruckreglerventils 10 kann, wie bei der dritten Ausführungsform beschrieben, alternativ die Drossel 14 verwendet werden, um die Differenz zwischen dem Druck der Luft in der Luftableitung 4b und dem Druck des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 3a zu regeln.
  • 10 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung, die eine Abwandlung der in 7 veranschaulichten vierten Ausführungsform ist. Die gleichen Bezugszeichen, die bei der vierten Ausführungsform verwendet werden, beziehen sich auf gleiche Teile, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Steuergerät des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform arbeitet wie oben beschrieben derart, daß der Druck der Luft in dem Luftflußpfad 24 über demjenigen des Wasserstoffgases in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 jeder der Zellen 20 angehoben wird, um das Wasser von dem Luftflußpfad 24 zu dem Wasserstoff-Flußpfad 23 zu übertragen, aber bei dieser Ausführungsform ist es derart ausgebildet, daß es eine Bestimmung dahingehend macht, ob der Druck der Luft in dem Luftflußpfad 24 erhöht werden soll oder nicht, auf der Grundlage der Spannung, die an jeder der Zellen 20 auftritt, oder der Gesamtspannung, die sich über dem Brennstoffzellenstapel 1 entwickelt hat.
  • Das Brennstoffzellensystem beinhaltet einen Stromsensor 44, der einen Gesamtstrom misst, der von allen Zellen 20 des Brennstoffzellenstapels 1 erzeugt ist, und der ein diesen anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt.
  • Das Steuergerät 2 ist ausgebildet zum Durchführen eines Wasserbeseitigungsprogramms, das mit der wie unten beschriebenen Ausnahme gleich dem einen aus 9 ist.
  • Zunächst tastet das Steuergerät 2 in Schritt 51 einen Ausgang von dem Stromsensor 44 ab, um einen Gesamtstrom zu bestimmen, der von dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugt ist.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 52 fort, in dem bestimmt wird, ob der Strom, der in Schritt 51 abgetastet wurde, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20 erzeugt worden ist oder nicht.
  • Wenn es Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zelle 20 gibt, wird es für gewöhnlich die Diffusion des Wassers auf dem Elektrolytfilm der Zelle 20 stören, wodurch es zu einem Abfall der von der Zelle 20 erzeugten Menge an Elektrizität kommt. Das Wasser ist für gewöhnlich in allen Zellen 20 gleichzeitig vorhanden, wobei es somit zu einem Abfall der gesamten Menge des von dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugten Stroms führt. Auf der Grundlage dieser Tatsache tastet Schritt 52 den Pegel des Stroms ab, der von dem Stromsensor 44 gemessen wird, um zu bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 vorhanden ist oder nicht.
  • Das Steuergerät 2 kann alternativ den Strom, der von dem Stromsensor 44 gemessen wird, für eine bestimmte Zeitspanne messen und in Schritt 52 bestimmen, ob der Strom mit der Zeit oszilliert oder nicht, um festzustellen, ob das Wasser innerhalb des Luftflußpfades 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht. Dies basiert, wie oben beschrieben, auf der Tatsache, daß das um die Luftelektrode der Zelle 20 vorhandene Wasser zu einer zeitlichen Variation der durch die Zelle 20 erzeugten Strommenge führt.
  • Das Brennstoffzellensystem kann auch das Zellenüberwachungsgerät 12 beinhalten, das die an jeder der Zellen 20 auftretende Spannung überwacht oder misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt. Das Zellenüberwachungsgerät 12 kann derart ausgebildet sein, daß es Spannungen misst, die nur von einigen der Zellen 20 erzeugt sind.
  • Das Steuergerät 2 kann einen Ausgang von dem Zellenüberwachungsgerät 12 in Schritt 51 abtasten und in Schritt 52 bestimmen, ob der Strom, wie er in Schritt 51 abgetastet wurde, geringer ist als ein Schwellwert, der in dem Speicher des Steuergeräts 2 gespeichert ist, oder nicht, um zu bestimmen, ob Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20 vorhanden ist oder nicht.
  • Die folgenden Schritte sind hinsichtlich ihres Betriebs mit denjenigen in 9 identisch und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • 11 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung, die anders als die erste bis fünfte Ausführungsform derart ausgebildet ist, daß eine in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 verdampfte Wassermenge mehr angehoben wird als diejenige in dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20. Diese Ausführungsform unterscheidet sich in Abschnitten des von dem Steuergerät 2 auszuführenden Wasserbeseitigungsprogramms von der vierten und fünften Ausführungsform. Die gleichen Bezugszeichen, wie sie in 7 verwendet wurden, beziehen sich auf die gleichen Teile und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Das Brennstoffzellensystem besitzt einen Temperatursensor 61, einen Wasserstoffgasheizer 62 und ein Wasserstoffgasflußraten-Steuergerät 63, das in der Wasserstoffzuleitung 3a angeordnet ist, anstelle des Wasserstoffdruckreglers 7 und des Wasserstoffgassensors 41, wie sie bei der vierten Ausführungsform aus 7 verwendet werden. Der Temperatursensor 61, der Wasserstoffgasheizer 62, der Befeuchter 6 und das Wasserstoffgasflußraten-Steuergerät 63 sind in dieser Reihenfolge in einer Richtung von dem Brennstoffzellenstapel 1 stromaufwärts angeordnet.
  • Der Temperatursensor 61 arbeitet derart, daß er die Temperatur in der Wasserstoffzuleitung 3a misst und ein diese anzeigendes Signal an das Steuergerät 2 abgibt.
  • Der Wasserstoffgasheizer 62 ist in einer sich parallel zu der Wasserstoffzuleitung 3a erstreckenden Heizungs-Bypassleitung 66 angeordnet. Die Heizungs-Bypassleitung 66 ist durch Auswahlventile 64 und 65, die im Betrieb von dem Steuergerät 2 gesteuert werden, mit der Wasserstoffzuleitung 3a verbunden. Insbesondere können die Auswahlventile 64 und 65 Schaltsignale von dem Steuergerät 2 empfangen, um einen Fluß des Wasserstoffgases zu dem Wasserstoffgasheizer 62 zu leiten, um das zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zu führende Wasserstoffgas zu heizen.
  • Das Wasserstoffgasflussraten-Steuergerät 63 kann ein Anweisungssignal von dem Steuergerät 2 empfangen, um die Flußrate des durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließenden Wasserstoffgases zu steuern.
  • Das Steuergerät 2 ist derart ausgebildet, daß es ein in 12 veranschaulichtes Wasserbeseitigungsprogramm durchführt. Das Programm wird beim Start des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 initiiert und in vorgegebenen Zeitabständen ausgeführt.
  • Die Schritte 71, 72, 73 und 74 sind hinsichtlich ihres Betriebs identisch mit den Schritten 51, 52, 53 und 54 in 9, um zu bestimmen, ob Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20 vorhanden ist oder nicht, und eine Erklärung davon im Detail wird hier ausgelassen werden.
  • Wenn in Schritt 74 die Antwort NEIN erhalten wird, was bedeutet, daß eine unerwünschte Menge an Wasser nicht in dem Luftflußpfad 24 vorhanden ist, dann endet das Programm. Wenn alternativ die Antwort JA erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 75 fort, in dem das Steuergerät 2 die Ausgänge von dem Temperatursensor 61, der in die Wasserstoffzuleitung 3a eingebaut ist, und dem Temperatursensor 43, der in die Luftableitung 4b eingebaut ist, abtastet. Die Temperatur in der Wasserstoffzuleitung 3a kann als gleich derjenigen in dem Wasserstoffeinlaß 22a des Wasserstoff-Flußpfades 23 der Zellen 20 betrachtet werden. Die Temperatur in der Luftableitung 4b kann als gleich der des Luftauslasses 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20 betrachtet werden.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 76 fort, in dem bestimmt wird, ob die Temperatur in der Wasserstoffzuleitung 3a (d.h. die Temperatur in dem Wasserstoffeinlaß 22a) größer ist als die in der Luftableitung 4b (d.h. die Temperatur des Luftauslasses 22e) oder nicht.
  • Der Wasserstoffeinlaß 22a jeder der Zellen 20 befindet sich näher an dem Luftauslaß 22e als an dem Lufteinlaß 22b. Der Vergleich zwischen den Temperaturen in dem Wasserstoffeinlaß 22a und dem Luftauslaß 22e ermöglicht somit eine Entscheidung, ob die Temperatur der Oberfläche des Elektrolytfilms der Zelle 20, die dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenübersteht, höher ist als diejenige der entgegengesetzten Oberflächenseite des Elektrolytfilms, die dem Luftflußpfad 24 gegenüberliegt, oder nicht.
  • Wenn in Schritt 76 die Antwort JA erhalten wird, was bedeutet, daß die Temperatur des Wasserstoffeinlasses 22a höher ist, dann schreitet das Programm direkt zu Schritt 78 fort. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 77 fort, in dem das Steuergerät 2 das durch die Wasserstoffzuleitung 3a fließende Wasserstoffgas heizt, um die Temperatur in dem Wasserstoffeinlaß 22a des Wasserstoff-Flußpfades 23 jeder der Zellen 20 über diejenige in dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 anzuheben. Insbesondere nach Erreichen des Schrittes 75 schreitet das Programm, wie in 13 veranschaulicht, zu Schritt 81 fort, in dem das Steuergerät 2 einen Ausgang von der Stromsensorplatte 11 abtastet, um die Menge an Strom zu bestimmen, die von der gesamten Zelle 20 erzeugt wird.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 82 fort, in dem die Wassermenge, die durch die Leistungserzeugung der Zelle 20 erzeugt wird, auf der Grundlage der in Schritt 81 bestimmten Menge an Strom berechnet wird.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 83 fort, in dem die Zieltemperatur T1 in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 auf der Grundlage der in Schritt 82 bestimmten Menge an Wasser berechnet wird.
  • Insbesondere wird die Zieltemperatur T1 bestimmt, die die Verdampfung der Menge an Wasser, die gleich einer erzeugten Menge an Wasser abzüglich einer zurückbehaltenen Menge an Wasser ist, erzielen wird. Die Menge an zu verdampfendem Wasser ist eine Gesamtmenge an in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 und dem Luftflußpfad 24 der Zelle 20 zu verdampfendem Wasser. Die zurückbehaltene Menge an Wasser ist die Menge an Wasser, die innerhalb des Elektrolytfilms der Zelle 20 zurückbehalten wird. Die verdampfte Menge des Wassers besitzt, wie unten beschrieben, einen Zusammenhang zu dem Dampfdruck. Die Zieltemperatur T1 kann somit bestimmt werden durch Berechnen des Dampfdrucks, der der Menge an Wasser entspricht, die verdampft werden muß, und anschließendem Auffinden eines Wertes der Temperatur, die einen solchen Dampfdruck hervorbringt.
  • Die Beziehung zwischen der verdampften Menge an Wasser und dem Dampfdruck in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 der Zelle 20 wird hier diskutiert werden. Die verdampfte Menge an Wasser m in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 und der gesättigte Dampfdruck in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 besitzen einen durch die nachfolgende Gleichung (1) ausgedrückten Zusammenhang: m = hρ(w1 – w∞) (1),wobei h die Massenübertragbarkeit (auch der Massentransferkoeffizient genannt) von Wassers, ρ die Dichte von Wassers, w1 der Dampfdruck auf der Oberfläche der MEA 21 der Zelle 20 in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 und w∞ der gesättigte Dampfdruck in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 ist.
  • Gleichung (1) zeigt, daß Erhöhen der Massenübertragbarkeit h zu einer erhöhten Menge an pro Zeiteinheit in das durch den Wasserstoff-Flußpfad 23 fließende Wasserstoffgas verdampftem Wasser führt.
  • Die mit der Massenübertragbarkeit in Beziehung stehende Sherwood-Zahl Sh für einen turbulenten Fluß wird durch die Gleichung (2) unten ausgedrückt. Die Sherwood-Zahl Sh für einen laminaren Fluß wird durch die Gleichung (3) unten ausgedrückt. Sh = 0,022·Re·0,8·Sc·0,5 = h/D (2) Sh = h/D = 4,36 (3),wobei Re die Reynolds-Zahl, Sc die Schmidt-Zahl und D der Massendiffusionskoeffizient ist.
  • Die Reynolds-Zahl Re und die Schmidt-Zahl Sc sind durch die Gleichungen (4) und (5) unten angegeben. Sc = ν/D (4) Re = ud/ν (5),wobei ν der Koeffizient der kinematischen Viskosität, u die Flußrate des Wasserstoffgases und d der Durchmesser des Wasserstoff-Flußpfades 23 ist.
  • Nachdem die Temperatur T1 in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 in Schritt 83 kalkuliert wurde, schreitet das Programm zu Schritt 84 fort, in dem das Steuergerät 2 EIN-Signale an die Auswahlventile 64 und 65 und den Wasserstoffgasheizer 62 abgibt, um den Fluß des Wasserstoffgases von der Wasserstoffzuleitung 3a zu der Wasserstoff-Bypassleitung 66 umzuschalten. Der Wasserstoffgasheizer 62 heizt den Fluß des Wasserstoffgases, so daß das durch den Wasserstoff-Flußpfad 23 der Zellen 20 fließende Wasserstoffgas die in Schritt 83 berechnete Temperatur T1 haben wird.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 78 aus 12 fort, in dem das Steuergerät 2 wie in Schritt 56 aus 9 Ausgänge von dem Luftdrucksensor 42, der in der Luftzuleitung 4a eingebaut ist, und dem Luftdrucksensor 9, der in der Luftableitung 4b eingebaut ist, abtastet. Für gewöhnlich ist der Druck der Luft in der Luftzuleitung 4a gleich dem Druck in dem Lufteinlaß 22b des Luftflußpfades 24 der Zellen 20. Der Druck der Luft in der Luftableitung 4b ist gleich dem Druck in dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20. Das Steuergerät 2 kennt daher die Drücke der Luft in dem Lufteinlaß 22b und in dem Luftauslaß 22e der Zellen 20 von den Ausgängen von den Luftdrucksensoren 42 und 9.
  • Das Programm schreitet zu Schritt 79 fort, in dem wie in Schritt 57 aus 9 bestimmt wird, ob eine Differenz zwischen den Ausgängen, die in Schritt 78 abgetastet wurden, d.h. eine Differenz des Drucks zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20 unterhalb diejenige gefallen ist, bevor der Fluß des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 1 in Schritt 77 geheizt wurde, oder nicht. Die Bestimmung in Schritt 79 wird gemacht, um zu bestimmen, ob das Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20 entfernt worden ist oder nicht.
  • Wenn in Schritt 79 die Antwort JA erhalten wird, was bedeutet, daß die Druckdifferenz zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 abgenommen hat, so daß das Wasser aus dem Luftflußpfad 24 der Zellen 20 verschwunden ist, dann endet das Programm. Das Steuergerät 2 schaltet den Wasserstoffgasheizer 62 aus. Wenn alternativ die Antwort NEIN erhalten wird, dann schreitet das Programm zu Schritt 80 fort, in dem das Steuergerät 2 das Wasserstoffgasflußraten-Steuergerät 63 derart ansteuert, daß die Menge des durch die Wasserstoffzuleitung 3a an den Brennstoffzellenstapel 1 zu liefernden Wasserstoffgases angehoben wird. Solch ein Anstieg des Wasserstoffgases wird vorzugsweise derart festgelegt, daß er eine Beziehung der in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 der Zelle 20 verdampften Menge an Wasser (d.h. der diffundierten Menge an Masse) > der Menge an in dem Luftflußpfad vorhandenen Wasser erfüllt. Z.B. bestimmt das Steuergerät 2 vorzugsweise die Menge des an den Brennstoffzellenstapel 1 zu liefernden Wasserstoffgases derart, daß die Menge an in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 zu verdampfendem Wasser erzeugt wird, die gleich dem Zweifachen derjenigen vor dem Ansteuern des Wasserstoffgasflußraten-Steuergeräts 63 ist.
  • Die Merkmale dieser Ausführungsform werden unten beschrieben werden.
  • Die Heizungs-Bypassleitung 66 ist durch die Auswahlventile 64 und 65 mit der Wasserstoffzuleitung 3a verbunden. Der Wasserstoffgasheizer ist in der Heizungs-Bypassleitung 66 angeordnet. Das Steuergerät 2 arbeitet derart, daß es in Schritt 72 bestimmt, ob der Strom, der von der Stromsensorplatte 11 abgetastet wurde, geringer ist als der Schwellwert oder nicht und außerdem in Schritt 74 bestimmt, ob die Temperatur in dem Luftauslaß 22e der Zelle 20 geringer ist als der Schwellwert oder nicht, wodurch überprüft wird, ob eine ungewollte Menge an Wasser in dem Luftflußpfad 24 der Zelle 20 vorhanden ist oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß das Wasser in dem Luftflußpfad 24 vorhanden ist, bestimmt das Steuergerät 2 in Schritt 76, ob die Temperatur in dem Wasserstoffeinlaß 22a der Zelle 20 geringer ist als in dem Luftauslaß 22e oder nicht. Wenn einem solchen Zustand begegnet wird, arbeitet das Steuergerät 2 in Schritt 77 derart, daß der Fluß des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel geheizt wird. Insbesondere steuert das Steuergerät 2 die Auswahlventile 64 und 65 an, um die Heizungs-Bypassleitung 66 zu öffnen, und weist den Wasserstoffgasheizer 62 an, die Temperatur in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 der Zellen 20 über diejenige in dem Luftflußpfad 24 anzuheben. Dies erhöht den gesättigten Dampfdruck in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 über denjenigen in dem Luftflußpfad 24, wodurch somit bewirkt wird, daß die in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 verdampfte Menge an Wasser mehr als diejenige in dem Luftflußpfad 24 ansteigt. Dies wird bewirken, daß die Menge an Wasser auf der Oberfläche des Elektrolytfilms der Zellen 20, die dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenübersteht, unterhalb diejenige auf der Oberfläche davon abfällt, die dem Luftflußpfad 24 gegenübersteht, so daß die Konzentration an Wasser auf der Oberfläche des Elektrolytfilms, die dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenübersteht, geringer wird als diejenige auf der Oberfläche davon, die dem Luftflußpfad 24 gegenübersteht, was somit zu einer Diffusion des Wassers von der im Luftflußpfad 24 gegenüberstehenden Oberfläche des Elektrolytfilms zu der dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenüberstehenden Oberfläche davon führt. Insbesondere wird Wasser von der dem Luftflußpfad 24 gegenüberstehenden Oberfläche des Elektrolytfilms zu der dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenüberstehenden Oberfläche davon übertragen.
  • Das Wasserstoffgasflußraten-Steuergerät 63 ist in der Wasserstoffzuleitung 3a angeordnet. Das Steuergerät 2 bestimmt in Schritt 79, daß eine Differenz des Drucks zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20 nicht unterhalb einen Schwellwert abgenommen hat (d.h. die bevor der Fluß des Wasserstoffgases an den Brennstoffzellenstapel 1 im Schritt 77 geheizt wird), das Steuergerät 2 steuert den Wasserstoffgasflußratenregler 63 derart an, daß die Flußrate des an den Brennstoffzellenstapel 1 zu liefernden Wasserstoffgases erhöht wird. Insbesondere wenn die Differenz des Drucks zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 größer ist als der Schwellwert, d.h. wenn es eine ungewünschte Menge an Wasser in dem Luftflußpfad 24 gibt, erhöht das Steuergerät 2 die Flußrate des an den Brennstoffzellenstapel 1 zu liefernden Wasserstoffgases durch die Brennstoffzuleitung 3a, um die Geschwindigkeit des Flusses des Wasserstoffgases in der Wasserstoffzuleitung 23 zu erhöhen, wodurch die Menge an in dem Wasserstoff-Flußpfad 23 zu verdampfendem Wasser mehr angehoben wird als die in dem Luftflußpfad 24. Dies wird bewirken, daß die Menge an Wasser auf der dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenüberliegenden Oberfläche des Elektrolytfilms der Zellen 20 unterhalb diejenige auf der dem Luftflußpfad 24 gegenüberstehenden Oberfläche davon abfällt, was somit zu der Diffusion des Wassers von der dem Luftflußpfad 24 gegenüberliegenden Oberfläche des Elektrolytfilms zu der dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenüberstehenden Oberfläche davon innerhalb des Elektrolytfilms führt. Insbesondere wird das Wasser durch den Elektrolytfilm zu der dem Wasserstoff-Flußpfad 23 gegenüberliegenden Oberfläche davon übertragen. Dies hindert das Wasser, das von der Luftelektrode jeder der Zellen 20 erzeugt wird, daran, zu verdampfen und sich mit der durch den Luftflußpfad 24 fließenden Luft zu vermischen, wodurch ein Abfall der scheinbaren Konzentration des in der gesamten Luft innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 enthaltenen Sauerstoffs vermieden wird, was die Stabilität des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 1 unabhängig davon sicherstellt, ob die an dem Brennstoffzellenstapel 1 zu liefernde Luft befeuchtet wird oder nicht.
  • Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform kann wie unten beschrieben abgewandelt sein.
  • Das wie oben beschriebene Steuergerät 2 arbeitet derart, daß es das Wasserstoffgas in Schritt 77 erhitzt und auch die Flußrate davon in Schritt 80 erhöht, um das Wasser aus den Luftflußpfaden 24 der Zellen 20 zu entfernen, jedoch kann es auch derart ausgebildet sein, daß es nur eine dieser Verfahrensschritte durchführt.
  • Wenn zum Beispiel in Schritt 79 bestimmt wurde, daß die Differenz des Drucks zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20 nicht abgesunken ist unterhalb diejenige, bevor der Fluß des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 1 in Schritt 77 geheizt wird, kann das Steuergerät 2 das Programm zurück zu Schritt 71 bringen, ohne Schritt 80 durchzuführen.
  • Alternativ kann das Steuergerät 2 den Schritt 80 auslassen und die Flußrate des Wasserstoffgases im Schritt 77 erhöhen, ohne es zu heizen. Wenn im Schritt 79 festgestellt wird, daß die Differenz des Drucks zwischen dem Lufteinlaß 22b und dem Luftauslaß 22e des Luftflußpfades 24 der Zellen 20 nicht unterhalb diejenige abgesenkt ist, bevor die Flußrate des Wasserstoffgases an dem Brennstoffzellenstapel 1 in Schritt 77 erhöht wurde, bringt das Steuergerät 2 das Programm zu Schritt 71 zurück.
  • Außerdem kann das Steuergerät 2 anstelle der Bestimmung in Schritt 79 bestimmen, ob die Menge der durch die Zellen 20 erzeugten Elektrizität geringer ist als ein Schwellwert (z.B. 0,5 A/m2) oder nicht. Wenn festgestellt wird, daß die Menge an durch die Zellen 20 erzeugter Elektrizität geringer ist als der Schwellwert, erhöht das Steuergerät die Flußrate des Wasserstoffgases in Schritt 80.
  • Das Brennstoffzellensystem jeder der obigen Ausführungsformen kann wie unten beschrieben abgewandelt sein.
  • Der Elektrolyt jeder der Zellen 20 ist wie oben beschrieben aus einem Polymer-Elektrolytfilm gebildet, kann jedoch alternativ als ein anderer Typ von Elektrolyt ausgebildet sein, der hinsichtlich der Menge des Wassers gesteuert werden muß. Das Brennstoffzellensystem ist derart ausgebildet, daß die Luft nicht befeuchtet wird, um die Konzentration an Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel 1 zu erhöhen, aber es kann auch derart ausgebildet sein, daß die Stärke der Befeuchtung der Luft in einem Bereich unterhalb einer üblichen liegt.
  • Das Brennstoffzellensystem kann derart aufgebaut sein, daß es eine Kombination der Merkmale einer der ersten bis dritten Ausführungsformen und der Merkmale von entweder der vierten oder der fünften Ausführungsform oder eine Kombination der Merkmale von einer der ersten bis dritten Ausführungsform und den Merkmalen der sechsten Ausführungsform aufweist.
  • Das Brennstoffzellensystem kann derart aufgebaut sein, daß es Hydridgas anstelle des Wasserstoffgases als Brennstoff verwendet.
  • Während die vorliegende Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsformen offenbart wurde, um ein besseres Verständnis davon zu ermöglichen, sollte gewürdigt werden, daß die Erfindung auch in anderen Formen verkörpert sein kann, ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, daß sie alle möglichen Ausführungsformen und Abwandlungen zu den gezeigten Ausführungsformen enthält, die ohne von dem Wesen der Erfindung abzuweichen verkörpert werden können, wie in den angehängten Ansprüchen ausgeführt ist.

Claims (34)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, aufweisen, wobei jede der Zellen auch eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode und einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten enthält; einer Luftzuleitung, durch die Luft zu dem Luftflußpfad jeder der Zellen zugeführt wird; einer Luftableitung, durch die aus den Luftflußpfaden der Zellen fließende Luft abgeleitet wird; einem Brennstoffversorgungspfad, durch den das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen zugeführt wird; einem Luftflußratenregler, der derart arbeitet, daß er eine Flußrate der durch die Luftableitung fließenden Luft regelt; und einem Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht, wobei das Steuergerät, wenn festgestellt wird, daß der Elektrolyt getrocknet wird, den Luftflußratenregler ansteuert, um einen Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen über einen in einem normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels benötigten Pegel anzuheben, um eine Geschwindigkeit des Flusses der Luft in dem Luftflußpfad zu verringern.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Luftflußratenregler als ein Druckregler ausgebildet ist, der derart arbeitet, daß er einen Druck der in der Luftableitung fließenden Luft regelt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Stromsensor, der derart ausgebildet ist, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe einem Lufteinlaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt ist, und wobei das Steuergerät den von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Strom abtastet, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Spannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine von einer der Zellen erzeugte Spannung misst, und wobei das Steuergerät die von dem Spannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Gesamtspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst, und wobei das Steuergerät die von dem Gesamtspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob die Elektrolyten der Zellen getrocknet werden oder nicht.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einer Impedanz-Meßschaltung, die derart arbeitet, daß sie eine Impedanz einer der Zellen misst, und wobei das Steuergerät die von der Impedanz-Meßschaltung gemessene Impedanz mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob der Elektrolyt von zumindest einer der Zellen getrocknet wird oder nicht.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Druckdifferenzregler, der derart arbeitet, daß er eine Differenz des Drucks zwischen der Luft in den Luftflußpfaden der Zellen und dem Brennstoffgas in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen regelt, und wobei das Steuergerät derart arbeitet, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht, wobei das Steuergerät, wenn es bestimmt, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, den Druckdifferenzregler derart ansteuert, daß er den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen über einen Druck des Brennstoffgases in dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen anhebt.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Druckdifferenzregler als ein in der Luftableitung angeordneter Luftflußratenregler ausgebildet ist, und wobei das Steuergerät den Luftflußratenregler ansteuert, um den Druck in den Luftflußpfaden der Zellen mehr als den in den Brennstoffgasflußpfaden anzuheben.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, weiter mit einem ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einem zweiten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftableitung misst, und wobei, wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und zweiten Drucksensor gemessenen Drücken, unterhalb diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen anhebt, das Steuergerät das Anheben des Drucks der Luft in dem Luftflußpfad beendet.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Verdampfungssteuergerät, das derart arbeitet, daß es eine Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen zu verdampfendem Wasser über diejenige in den Luftflußpfaden der Zellen anhebt, und wobei das Steuergerät derart arbeitet, daß es bestimmt, ob es Wasser in den Luftflußpfaden gibt oder nicht, wobei das Steuergerät, wenn es bestimmt, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, das Verdampfungssteuergerät derart ansteuert, dass es die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden anhebt.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Verdampfungssteuergerät einen Gasheizer beinhaltet, der deart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt, und wobei das Steuergerät den Gasheizer ansteuert, um das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas zu erhitzen, um eine Temperatur in den Brennstoffgasflußpfaden über die in den Luftflußpfaden anzuheben, wodurch die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, weiter mit einer Zellstrombestimmungsschaltung, die derart arbeitet, daß sie einen von den Zellen erzeugten elektrischen Strom bestimmt, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage des von der Zellstrombestimmungsschaltung bestimmten elektrischen Stroms eine Menge des Wassers bestimmt, das in den Zellen erzeugt worden ist, eine gewünschte Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfenden Wassers auf der Grundlage der erzeugten Menge an Wasser und einer Menge des Wassers, das durch die Elektrolyten der Zellen zurückgehalten werden soll, berechnet und eine Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden bestimmt, die zum Erzielen der Verdampfung der gewünschten Menge an Wasser benötigt wird, wobei das Steuergerät den Gasheizer ansteuert, um das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas zu erhitzen, um so die Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden einzustellen.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei das Verdampfungssteuergerät ein Gasflußratensteuergerät beinhaltet, das derart arbeitet, daß es eine Flußrate des durch die Brennstoffgaszuleitung fließenden Brennstoffgases steuert, und wobei das Steuergerät das Gasflußsteuergerät ansteuert, um eine Menge des zu dem Brennstoffzellenstapel gelieferten Brennstoffgases zu erhöhen, wodurch die Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfenden Wassers über die in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, weiter mit einem ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einem zweiten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftableitung misst, und wobei, wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessenen Drücken unterhalb diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser erhöht, das Steuergerät das Erhöhen der Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser beendet.
  15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, weiter mit einem Stromsensor, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt ist, und einem Temperatursensor, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, weiter mit einem Zellspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine Spannung misst, die von einer der Zellen entwickelt ist, und wobei das Steuergerät die von dem Zellspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, weiter mit einem Gesamtspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine Gesamtspannung misst, die von den Zellen erzeugt ist, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter mit einem Befeuchter, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
  19. Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, beinhalten, wobei jede der Zellen auch eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode und einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten beinhaltet; einer Luftzuleitung, durch die die Luft zu dem Luftflußpfad jeder der Zellen zugeführt wird; einer Luftableitung, durch die die aus den Luftflußpfaden der Zellen fließende Luft abgeleitet wird; einem Brennstoffversorgungspfad, durch den das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen zugeführt wird; einem Druckdifferenzregler, der derart arbeitet, daß er eine Differenz des Drucks zwischen der Luft in den Luftflußpfaden der Zellen und dem Brennstoffgas in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen regelt; und einem Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht, wobei das Steuergerät, wenn es bestimmt, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, den Druckdifferenzregler ansteuert, um den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen über einen Druck des Brennstoffgases in dem Brennstoffgasflußpfad jeder der Zellen anzuheben.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, wobei der Druckdifferenzregler als ein in der Luftableitung angeordneter Luftflußratenregler ausgebildet ist, und wobei das Steuergerät den Luftflußratenregler ansteuert, um den Druck in den Luftflußpfaden der Zellen mehr als den in den Brennstoffgasflußpfaden anzuheben.
  21. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiter mit einem ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einem zweiten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftableitung misst, und wobei, wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessenen Drücken unterhalb diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät den Druck der Luft in dem Luftflußpfad jeder der Zellen anhebt, das Steuergerät das Anheben des Drucks der Luft in dem Luftflußpfad beendet.
  22. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiter mit einem Stromsensor, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt ist, und einem Temperatursensor, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  23. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiter mit einem Zellspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine Spannung misst, die von einer der Zellen entwickelt ist, und wobei das Steuergerät die von dem Zellspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  24. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiter mit einem Gesamtspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  25. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, weiter mit einem Befeuchter, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
  26. Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von Zellen, die jeweils einen Brennstoffgasflußpfad, durch den Brennstoffgas fließt, und einen Luftflußpfad, durch den Luft fließt, enthalten, wobei jede der Zellen außerdem eine dem Brennstoffgasflußpfad ausgesetzte Brennstoffelektrode, eine dem Luftflußpfad ausgesetzte Luftelektrode sowie einen zwischen der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode angeordneten Elektrolyten aufweist; einem Verdampfungssteuergerät, das derart arbeitet, daß es eine Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden der Zellen zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden der Zellen erhöht; und einem Steuergerät, das derart arbeitet, daß es bestimmt, ob es Wasser in den Luftflußpfaden gibt oder nicht, wobei das Steuergerät, wenn es bestimmt, daß Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist, das Verdampfungssteuergerät ansteuert, um die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über die in den Luftflußpfaden zu erhöhen.
  27. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei das Verdampfungssteuergerät einen Gasheizer beinhaltet, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas erhitzt, und wobei das Steuergerät den Gasheizer ansteuert, um das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas zu heizen, um eine Temperatur in den Brennstoffgasflußpfaden über diejenige in den Luftflußpfaden anzuheben, wodurch die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über diejenige in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  28. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, weiter mit einer Zellstrombestimmungsschaltung, die derart arbeitet, daß sie einen von den Zellen erzeugten elektrischen Strom bestimmt, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage des von der Zellstrombestimmungsschaltung bestimmten elektrischen Stroms eine Menge an Wasser bestimmt, die in den Zellen erzeugt worden ist, eine gewünschte Menge des in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfenden Wassers auf der Grundlage der erzeugten Menge an Wasser und einer Menge an von den Elektrolyten der Zellen zurückzuhaltendem Wasser berechnet und eine Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden bestimmt, die zum Erzielen der Verdampfung der gewünschten Menge an Wasser erforderlich ist, wobei das Steuergerät den Gasheizer ansteuert, um das durch die Brennstoffgaszuleitung fließende Brennstoffgas zu erhitzen, um so die Zieltemperatur in den Brennstoffgasflußpfaden einzustellen.
  29. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, wobei das Verdampfungssteuergerät ein Gasflußratensteuergerät beinhaltet, das derart arbeitet, daß es eine Flußrate des durch die Brennstoffgaszuleitung fließenden Brennstoffgases steuert, und wobei das Steuergerät das Gasflußratensteuergerät ansteuert, um eine Menge des an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Brennstoffgases zu erhöhen, wodurch die Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser über diejenige in den Luftflußpfaden angehoben wird.
  30. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, weiter mit einem ersten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftzuleitung misst, und einem zweiten Drucksensor, der derart arbeitet, daß er einen Druck der Luft in der Luftableitung misst, und wobei, wenn eine Differenz zwischen den von dem ersten und dem zweiten Sensor gemessenen Drücken unter diejenige abgefallen ist, bevor das Steuergerät die Menge an in den Gasflußpfaden zu verdampfendem Wasser erhöht, das Steuergerät das Erhöhen der Menge an in den Brennstoffgasflußpfaden zu verdampfendem Wasser beendet.
  31. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, weiter mit einem Stromsensor, der derart arbeitet, daß er einen elektrischen Strom misst, der in einem nahe einem Luftauslaß des Luftflußpfades von zumindest einer der Zellen definierten Bereich erzeugt ist, und einem Temperatursensor, der derart arbeitet, daß er eine Temperatur in dem Luftauslaß des Luftflußpfades misst, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage des von dem Stromsensor gemessenen elektrischen Stroms und der von dem Temperatursensor gemessenen Temperatur bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  32. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, weiter mit einem Zellspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine Spannung misst, die von einer der Zellen entwickelt ist, und wobei das Steuergerät die von dem Zellspannungssensor gemessene Spannung mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleicht, um zu bestimmen, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  33. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, weiter mit einem Gesamtspannungssensor, der derart arbeitet, daß er eine von den Zellen erzeugte Gesamtspannung misst, und wobei das Steuergerät auf der Grundlage der gemessenen Gesamtspannung bestimmt, ob das Wasser in den Luftflußpfaden vorhanden ist oder nicht.
  34. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, weiter mit einem Befeuchter, der derart arbeitet, daß er das durch die Brennstoffgaszuleitung in den Brennstoffzellenstapel fließende Brennstoffgas befeuchtet.
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