DE102011083327A1 - Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Nobuki Koiwa
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Katsumi Hayashi
Koichiro Miyata
Hiroshi Morikawa
Kaoru Yamazaki
Takashi Yamamoto
Kentaro Nagoshi
Shinya Watanabe
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Abstract

Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend einen ersten Schritt des Zuführens von Wasserstoffgas und Luft einem Brennstoffzellenstapel (12), um dadurch zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel (12) Elektrizität generiert und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Wasserstoffgases und danach Zuführen von Luft dem Brennstoffzellenstapel (12), um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel (12) Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels (12) detektiert wird. In dem zweiten Schritt wird bewirkt, dass, wenn der Druck des Wasserstoffgases auf einen voreingestellten unteren Grenzwert auf Grundlage eines tatsächlich gemessenen Anodendrucks verringert wird, der Brennstoffzellenstapel (12) ein Generieren von Elektrizität beendet.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, welches eine Brennstoffzelle zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem sauerstoffhaltigen Gas und einem Brenngas umfasst.
  • Beschreibung der verwandten Techniken:
  • Brennstoffzellen werden in einem System eingesetzt, um Gleichstrom-Elektroenergie zu erzeugen, und zwar durch Zuführen eines Brenngases, d. h. eines im Wesentlichen wasserstoffhaltigen Gases, z. B. Wasserstoffgas, und eines sauerstoffhaltigen Gases, d. h. eines im Wesentlichen sauerstoffhaltigen Gases, z. B. Luft, zu einer Anode und einer Kathode, um dadurch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Brenngas und dem sauerstoffhaltigen Gas zu verursachen. Ein derartiges System kann als ein stationäres Elektrizität-erzeugendes System verwendet werden oder kann als ein Elektrizität erzeugendes System auf Brennstoffzellenfahrzeugen montiert sein.
  • Beispielsweise umfassen Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), welche eine Anode und eine Kathode umfasst, die auf jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran angebracht sind, wie beispielsweise eine Ionenaustauschpolymermembran, und ein Paar von Separatoren, zwischen welchen die Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Ein Brenngasströmungsfeld zum Zuführen eines Brenngases zu der Anode ist zwischen einem der Separatoren und der Membran-Elektroden-Anordnung definiert und ein Strömungsfeld eines sauerstoffhaltigen Gases zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu der Kathode ist zwischen dem anderen der Separatoren und der Membran-Elektroden-Anordnung definiert.
  • Wenn die Brennstoffzelle abgeschaltet wird, wird die Zuführung des Brenngases und des sauerstoffhaltigen Gases beendet. Allerdings bleibt das Brenngas in dem Brenngasströmungsfeld und das sauerstoffhaltige Gas bleibt in dem Strömungsfeld für sauerstoffhaltiges Gas. Falls die Brennstoffzelle für einen längeren Zeitraum abgeschaltet ist, können das Brenngas und das sauerstoffhaltige Gas möglicherweise durch die Elektrolytmembran durchgehen und sich miteinander vermischen.
  • Beispielsweise wird gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2004-022487 dann, wenn eine Brennstoffzelle abgeschaltet ist, eine Zufuhr des Reaktionsgases zu der Kathode durch ein Einlassabsperrventil unterbrochen, während das Kathodenauslassgas stromaufwärts der Brennstoffzelle über eine Zirkulationsleitung zirkuliert wird. Die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle verbraucht weiterhin Sauerstoff in dem Kathodenauslassgas und danach wird ein inaktives Gas, wie beispielsweise ein Stickstoffgas verwendet, um die Kathode und die Anode der Brennstoffzelle zu spülen.
  • Gemäß der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2004-022487 zweigen sich jeweils eine Anodenzirkulationsleitung und eine Kathodenzirkulationsleitung, welche ein Anodenauslassgas und ein Kathodenauslassgas von der Brennstoffzelle zu einer Anodengaszufuhrleitung und einer Kathodengaszufuhrleitung stromaufwärts der Brennstoffzelle zirkulieren, von der Anodengaszufuhrleitung und der Kathodengaszufuhrleitung ab. Die Kathodenzirkulationsleitung ist mit einem Tank verbunden, welcher als ein Gasvolumenbereich zum Speichern eines Stickstoffgases als inaktives Gas dient.
  • Wie oben beschrieben, verbraucht die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle weiterhin Sauerstoff in dem Kathodenauslassgas und ein inaktives Gas, wie beispielsweise ein Stickstoffgas, wird dazu verwendet, die Kathode und die Anode der Brennstoffzelle zu spülen. Folglich ist das Brennstoffzellensystem relativ komplex in der Gesamtstruktur und groß in der Gesamtgröße und ist sehr teuer herzustellen.
  • ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welches einfach und kompakt strukturiert und welches dazu in der Lage ist, eine Verschlechterung einer in dem Brennstoffzellensystem enthaltenen Brennstoffzelle zu minimieren.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend eine Brennstoffzelle zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle und eine Zufuhrvorrichtung für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle.
  • Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases, während das sauerstoffhaltige Gas zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle detektiert wird.
  • Im zweiten Schritt wird bewirkt, dass die Brennstoffzelle dann, wenn der Druck des Brenngases an der Anode auf einen voreingestellten unteren Grenzwert auf Grundlage eines tatsächlich gemessenen Anodendrucks verringert wird, die Brennstoffzelle ein Generieren von Elektrizität beendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein anderes Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Zuführens eines sauerstoffhaltigen Gases und eines Brenngases zu einer Brennstoffzelle, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle ist, um dadurch zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle detektiert wird.
  • Wenn der zweite Schritt beendet ist, wird der Druck, mit dem das Brenngas zugeführt wird, erhöht oder verringert, und zwar vor dem Beenden der Brenngaszuführung, um den Druck des Brenngases in der Brennstoffzelle auf einem konstanten Druck oder höher zu halten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein anderes Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend eine Brennstoffzelle zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle, eine Zufuhrvorrichtung für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle und eine mit der Brennstoffzelle verbindbare Elektrospeichervorrichtung.
  • Das Verfahren umfasst einen Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und Brenngases zu der Brennstoffzelle, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, einen Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle ist, um dadurch zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle detektiert wird, und einen Schritt des Zuführens der durch die Brennstoffzelle generierten Energie zu der Elektrospeichervorrichtung.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wiederum ein anderes Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, umfassend eine Brennstoffzelle zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle, eine Zufuhrvorrichtung für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle, eine Kühlmittelzufuhrvorrichtung zum Zuführen eines Kühlmittels zu der Brennstoffzelle und eine mit der Brennstoffzelle verbindbare Elektrospeichervorrichtung.
  • Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle ist, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle Elektrizität generiert, und Zuführen der durch die Brennstoffzelle generierten Elektrizität zu der Elektrospeichervorrichtung, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle detektiert wird, und einen dritten Schritt des Beendens des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöichiometrie zu der Brennstoffzelle, wobei danach bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle Elektrizität nur mit in der Brennstoffzelle verbleibenden Gasen generiert, und Zuführen des durch die Brennstoffzelle generierten Elektrizität zu der Kühlmittelzufuhrvorrichtung.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, da die Brennstoffzelle mit dem darin verbleibenden Brenngas zusammen mit dem dazugeführten sauerstoffhaltigen Gas Elektrizität generiert, die Wasserstoffkonzentration in dem Brenngas innerhalb der Brennstoffzelle verringert. Dadurch bedingt, tritt Wasserstoff nicht von der Anode durch eine Elektrolytmembran zu der Kathode hin und reagiert nicht mit dem Sauerstoff an der Kathode. Dadurch wird es verhindert, dass die Elektrolytmembran beschädigt wird.
  • Wenn der Brenngasdruck an der Anode auf den voreingestellten unteren Grenzwert auf Grundlage eines tatsächlich gemessenen Anodendrucks verringert wird, wird bewirkt, dass die Brennstoffzelle ein Generieren von Elektrizität beendet. Das Potenzial an der Anode steigt wegen eines Mangels an Brenngas nicht abrupt an, wodurch möglich wird, eine Beschädigung der Brennstoffzelle so weit wie möglich zu verhindern.
  • Ferner, gemäß der vorliegenden Erfindung produziert die Brennstoffzelle, da die Brennstoffzelle Elektrizität mit dem darin verbleibenden Brenngas und mit dem sauerstoffhaltigen Gas bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert, ein inaktives Gas mit einer hohen Stickstoffkonzentration als ein Abgabegas, wodurch die Wasserstoffkonzentration in dem Brenngas in der Brennstoffzelle reduziert wird. Die Kathode wird mit Stickstoffgas gefüllt, welches eine reduzierte Sauerstoffkonzentration aufweist, wodurch die Brennstoffzelle und die Gasdurchgänge mit Stickstoffgas gefüllt werden.
  • Insofern, als der Druck, bei welchem das Brenngas zugeführt wird, erhöht oder reduziert wird, bevor das Brenngas nicht mehr zugeführt wird, generiert die Brennstoffzelle entsprechend Energie bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie, während die Brennstoffzelle mit einem angemessenen Betrag an Wasserstoff gefüllt wird. Wenn die Brennstoffzelle Elektrizität bei einer derart niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert, wird es verhindert, dass der Betrag an Wasserstoff unzureichend oder übermäßig wird. Mit einer einfachen und kompakten Anordnung wird eine Verschlechterung der Brennstoffzelle soweit wie möglich verhindert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, produziert die Brennstoffzelle, da die Brennstoffzelle Elektrizität mit dem darin verbleibenden Brenngas generiert, und während das sauerstoffhaltige Gas bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie bleibt, ein inaktives Gas mit einer hohen Stickstoffkonzentration als ein Abgabegas, und die Wasserstoffkonzentration in dem Brenngas in der Brennstoffzelle wird reduziert. Nachdem die generierte Elektrizität der Elektrospeichervorrichtung zugeführt wird, wird die Elektrizität, welche nur mit den übrigen Gasen generiert worden ist, der Kühlmittelzufuhrvorrichtung zugeführt.
  • Da die Restspannung der Brennstoffzelle auf eine niedrige Spannung reduziert werden kann, kann die Sauerstoffkonzentration in der Brennstoffzelle ferner reduziert werden. Somit wird die Kathode mit einem Stickstoffgas gefüllt, welches eine reduzierte Sauerstoffkonzentration aufweist, wodurch die Brennstoffzelle und die Gasdurchgänge mit Stickstoffgas gefüllt werden.
  • Die Brennstoffzelle wird durch die Kühlmittelzufuhrvorrichtung gekühlt. Folglich wird die Brennstoffzelle, welche im Allgemeinen eher bei höheren Temperaturen beschädigt wird, höheren Temperaturen nicht ausgesetzt und es wird in geeigneter Weise verhindert, dass während des Abschaltens die Brennstoffzelle beschädigt wird und auch, dass die Brennstoffzelle beschädigt wird, wenn die Brennstoffzelle den Betrieb aufnimmt. Somit wird mit einer einfachen und kompakten Anordnung so weit wie möglich verhindert, dass die Brennstoffzelle beschädigt wird.
  • Die obigen weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch ein illustratives Beispiel gezeigt werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems, auf welchem ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
  • 3 ist ein Zeitdiagramm, welches das Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
  • 4 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren des Ablaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
  • 5 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen Anodendruck und Anodenpotenzial zeigt;
  • 6 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen Anodendruck, Anodenpotenzial und Wasserstoffgastemperatur zeigt;
  • 7 ist ein schematisches Diagramm, welches Funktionsabläufe des Brennstoffzellensystems darstellt;
  • 8 ist ein schematisches Diagramm, welches Funktionsabläufe des Brennstoffzellensystems darstellt;
  • 9 ist ein Blockdiagramm, welches einen Stickstoffaustauschzustand in dem Brennstoffzellensystem darstellt;
  • 10 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen Strom, Spannung und Wasserstoffverdrängung darstellt;
  • 11 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 12 ist ein Blockdiagramm, welches einen Sauerstoffgasvolumenbereich und einen Luftgasvolumenbereich in dem Brennstoffzellensystem darstellt;
  • 13 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 14 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems, auf welchem ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
  • 15 ist ein Blockdiagramm des Brennstoffzellensystems;
  • 16 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen Stapelspannung und Sauerstoffkonzentration zeigt; und
  • 17 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen Zellentemperatur und Membranverschlechterung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 10, auf welchem ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Brennstoffzellenstapel 12, eine Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Zufuhrvorrichtung 16 für Brenngas zum Zuführen eines Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Batterie (Elektrospeichervorrichtung) 17, welche mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbindbar ist, und eine Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 zum Regeln/Steuern des Brennstoffzellensystems 10 in seiner Gesamtheit. Das Brennstoffzellensystem 10 ist auf einem Brennstoffzellenfahrzeug moniert, wie beispielsweise ein Brennstoffzellenautomobil oder dergleichen. Eine Batterie 17 ist dazu in der Lage, Elektrizität zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs unter normalen Bedingungen zu speichern. Die Batterie 17 ist dazu in der Lage einen Strom von 20 A bei einer Spannung von bis zu 500 V zu liefern, welche über eine höhere Spannungsstromkapazität als eine 12-V-Stromversorgung 98 (2) verfügt, welche später beschrieben wird.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 ist aus einer Mehrzahl von gestapelten Brennstoffzellen 20 zusammengesetzt. Jede der Brennstoffzellen 20 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 28, welche eine Festpolymerelektrolytmembran 22 umfasst in der Form einer dünnen Membran aus perfluorsulfatischer Säure, welche mit Wasser imprägniert ist, zusammen mit einer Kathode 24 und einer Anode 26 umfasst, dazwischen welchen das Elektrolytmembran 22 aus festem Polymer angeordnet ist.
  • Jede von der Kathode 24 und der Anode 26 weist eine Gasdiffusionsschicht, welche aus Kohlepapier oder dergleichen hergestellt ist, und eine Elektrodenkatalysatorschicht auf, die aus porösen Kohlepartikeln hergestellt ist, welche auf deren Oberflächen eine Platinumlegierung oder Ru oder dergleichen tragen und welche auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig aufgetragen ist. Die Elektrodenkatalysatorschicht ist auf jeder der beiden Seiten der festen Polymerelektrolymembran 22 angeordnet.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung 28 ist zwischen einem Kathodenseparator 30 und einem Anodenseparator 32 angeordnet. Jeder von dem Kathodenseparator 30 und Anodenseparator 32 umfasst einen Kohlenseparator oder Metallseparator.
  • Ein Strömungsfeld 34 für sauerstoffhaltiges Gas ist zwischen dem Kathodenseparator 30 und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 definiert und ein Brenngasströmungsfeld 36 ist zwischen dem Anodenseparator 32 und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 definiert.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 weist auf: einen Einlassdurchgang 38a für ein sauerstoffhaltiges Gas, welches sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases, z. B. ein sauerstoffhaltiges Gas (hierin auch als „Luft” bezeichnet), einen Brenngaseinlassdurchgang 40a, welcher sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Zuführen eines Brenngases, z. B. ein wasserstoffhaltiges Gas (hierin auch als „Wasserstoffgas” bezeichnet), einen Kühlmitteleinlassdurchgang, nicht gezeigt, welcher sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Zuführen eines Kühlmittels, einen Abgabedurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas, welcher sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Abgeben des sauerstoffhaltigen Gases, einen Brenngasauslassdurchgang 40b, welcher sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Abgeben des Brenngases, und einen Kühlmittelabgabedurchgang, nicht gezeigt, welcher sich durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 erstreckt, zum Abgeben des Kühlmittels.
  • Die Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst eine Luftpumpe 50 zum Komprimieren von atmosphärischer Luft und zum Zuführen von komprimierter atmosphärischer Luft. Die Luftpumpe 50 ist mit einem Luftzufuhrdurchgang 52 verbunden. Der Luftzufuhrdurchgang 52 ist mit einem Befeuchter 54 verbunden, welcher Wasser und Wärme zwischen einem zugeführten Gas und einem abgelassenen Gas tauscht. Der Luftzufuhrdurchgang 52 erstreckt sich durch den Befeuchter 54 und wird in Fluidverbindung mit dem Einlassdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas des Brennstoffzellenstapels 12 gehalten.
  • Die Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst auch einen Luftabgabedurchgang 56, welcher in Fluidverbindung mit dem Auslassdurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas des Brennstoffzellenstapels 12 gehalten wird. Der Luftabgabedurchgang 56 ist einem Durchgang eines Befeuchtungsmittels (nicht gezeigt) des Befeuchters 54 verbunden. Der Luftabgabedurchgang 56 ist auch in Verbindung mit einem Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58, wobei eine Öffnung desselben einstellbar ist, um den Luftdruck, welcher von der Luftpumpe 50 durch den Luftzufuhrdurchgang 52 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird, zu regulieren. Das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 soll vorzugsweise ein normalerweise geschlossenes Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil umfassen, welches geschlossen ist, wenn ein Solenoid desselben nicht energetisiert ist.
  • Der Luftabgabedurchgang 56 wird in Fluidverbindung mit einem Verdünnungsbehälter 60 gehalten. Der Luftzufuhrdurchgang 52 und der Luftabgabedurchgang 56 sind jeweils mit Ein-Aus-Ventilen 61a, 61b verbunden, welche sich in unmittelbarer Nähe des Einlassdurchgangs 38a für sauerstoffhaltiges Gas beziehungsweise des Auslassdurchgangs 38b für sauerstoffhaltiges Gas befinden.
  • Die Brenngaszufuhrvorrichtung 16 umfasst einen Wasserstofftank 62 zum Speichern von Wasserstoffgas unter hohem Druck. Der Wasserstofftank 62 ist mit dem Brenngaseinlassdurchgang 40a durch einen Wasserstoffzufuhrdurchgang 64 verbunden. Der Wasserstoffzufuhrdurchgang 64 ist mit einem Absperrventil 65 und einem Auswerfer 66 verbunden. Der Auswerfer 66 führt Wasserstoffgas, welches von dem Wasserstofftank 62 geliefert wird, dem Brennstoffzellenstapel 12 durch den Wasserstoffzufuhrdurchgang 64 zu, und saugt ein abgegebenes Gas, welches ungenutztes Wasserstoffgas umfasst, aus dem Brennstoffzellenstapel 12 aus einem Wasserstoffzirkulationspfad 68 und liefert das abgegebene Gas als ein Brenngas dem Brennstoffzellenstapel 12 wieder zu.
  • Der Brenngasauslassdurchgang 40b wird in Fluidverbindung mit einem Abgasdurchgang 70 gehalten, welcher auch mit dem Wasserstoffzirkulationspfad 68 verbunden ist. Der Verdünnungsbehälter 60 ist mit dem Abgasdurchgang 70 durch ein Absaugventil 72 verbunden. Der Verdünnungsbehälter 60 weist einen Abgabeauslass, der mit einem Abgabedurchgang 74 verbunden ist, welches mit einem Speicherpuffer 76 verbunden ist. Der Speicherpuffer 76 ist mit einem Abgasdurchgang 78 verbunden.
  • Wie in 2 gezeigt, ist der Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Ende einer Busleitung 80 verbunden, während das andere Ende der Busleitung 80 mit einem Inverter 82 verbunden ist. Der Inverter 82 ist mit einem dreiphasigen Antriebsmotor 84 verbunden, um das Brennstoffzellenfahrzeug anzutreiben. Obwohl die Busleitung 80 in Wirklichkeit zwei Leitungen umfasst, wurde die Busleitung 80 der Kürze halber als eine einzelne Leitung dargestellt. Dies trifft auch auf andere Leitungen zu, die später beschrieben werden.
  • Die Busleitung 80 umfasst ein FC-Schütz 86, durch welches die Busleitung 80 mit der Luftpumpe 50 verbunden ist. Die Busleitung 80 ist auch mit einem Ende einer Stromleitung 88 verbunden, welche mit der Batterie 17 durch einen DC/DC-Wandler 90 und ein Batterienschütz 92 verbunden ist. Eine Stromabzweigleitung 94, welche mit der 12-V-Stromversorgung 98 durch einen Herunterwandler (DC/DC-Wandler) 96 verbunden ist, zweigt sich von der Stromleitung 88 ab. Die 12-V-Stromversorgung 98 ist nicht auf eine Spannung von 12-V beschränkt, sondern kann auch andere Spannungen aufweisen, sofern diese Spannungen niedriger als die Spannung der Batterie 17 sind.
  • Wie in 1 gezeigt, sind ein Drucksensor 100 zum Detektieren eines Anodengasdrucks (Anodendruck) und ein Temperatursensor 102 zum Detektieren einer Anodengastemperatur mit dem Wasserstoffzufuhrdurchgang 64 in der Nähe des Brenngasdurchgangs 70a des Brennstoffstapels 12 verbunden.
  • Im Folgenden werden Funktionsweisen des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 10 sich im Betrieb befindet, liefert die Luftpumpe 50 der Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas Luft dem Luftzufuhrdurchgang 50 zu. Die Luft, welche dem Luftzufuhrdurchgang 52 zugeliefert wurde, wird durch den Befeuchter 54 befeuchtet und wird danach dem Einlassdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt. In dem Brennstoffzellenstapel 12 strömt Luft durch das Strömungsfeld 34 für sauerstoffhaltiges Gas zu der Kathode 24 von jeder der Brennstoffzellen 20 hin.
  • Luft, welche durch die Brennstoffzellen 20 verwendet wurde, wird von dem Auslassdurchgang 38b des sauerstoffhaltigen Gases in den Luftabgabedurchgang 56 abgegeben. Die Luft wird über den Luftabgabedurchgang 56 zu dem Befeuchter 54 geliefert, in welchem die Luft verwendet wird, um neu gelieferte Luft zu befeuchten. Danach wird die Luft durch das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 in den Verdünnungsbehälter 60 eingeführt. In dem Verdünnungsbehälter 60 wird Wasserstoffgas mit dem Luftabgas gemischt, um die Wasserstoffkonzentration darin zu reduzieren und wird dann in den Speicherpuffer 76 abgegeben.
  • In der Brenngaszufuhrvorrichtung 16 wird das Absperrventil 65 geöffnet, um Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 62 zu liefern. Der Druck des aus dem Wasserstofftank gelieferten Wasserstoffgases wird durch ein Druckreduzierventil, nicht gezeigt, reduziert, und das Wasserstoffgas wird danach dem Wasserstoffzufuhrdurchgang zugeführt. Das Wasserstoffgas fließt dann durch den Wasserstoffzufuhrdurchgang 64 zu dem Brenngaseinlassdurchgang 40a des Brennstoffzellenstapels 12. In dem Brennstoffzellenstapel 12 strömt das Wasserstoffgas durch das Brenngasströmungsfeld 36 zu der Anode 26 von jeder der Brennstoffzellen 20 hin.
  • Wasserstoff, welcher durch die Brennstoffzellen 20 verwendet wurde, wird aus dem Brenngasauslassdurchgang 40b abgegeben und wird dann durch den Wasserstoffzirkulationspfad 68 zu dem Auswerfer 66 hingezogen, welcher das Wasserstoffgas als ein Brenngas dem Brennstoffzellenstapel 12 wieder zuführt. Die Luft, welche der Kathode 24 zugeführt wird und das Wasserstoffgas, welches der Anode 26 zugeführt wird, reagieren elektrochemisch miteinander, wodurch Elektrizität generiert wird.
  • Das Wasserstoffgas, welches in dem Wasserstoffzirkulationspfad 68 zirkuliert, neigt dazu, Unreinheiten zu enthalten. Wenn das Absaugventil 72 geöffnet ist, wird das Sauerstoffgas, welches Unreinheiten enthält in den Verdünnungsbehälter 60 eingeführt. In dem Verdünnungsbehälter 60 wird das Wasserstoffgas mit dem Luftabgas gemischt, um darin die Wasserstoffkonzentration zu reduzieren und wird danach an den Speicherpuffer 76 abgegeben.
  • Ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der ersten Ausführungsform wird im Folgenden mit Bezug auf das Zeitdiagramm aus 3 und das Flussdiagramm aus 4 beschrieben.
  • Als erstes wird ein Abgabetest durchgeführt, durch Beenden des Zuführens des Wasserstoffgases zu den Anoden und Entnehmen von Strom, während Luft den Kathoden zugeführt wird. Das partielle Wasserstoffgasdruck, d. h. Brenngasdruck an den Anoden, wird als ein Standard zum Beurteilen eines Mangels an Wasserstoffgas verwendet, d. h. als Standard zum Beurteilen einer Zunahme in dem Anodenpotenzial an einer einzelnen Anode 26, welcher sich in einem Regelungs-/Steuerungsprozess zum Beenden des Abgabevorgangs niederschlägt.
  • Ein Abgabetest wurde durchgeführt, unter Verwendung des Brennstoffzellenstapels 12 gemäß der ersten Ausführungsform. Wie in 5 gezeigt, ergab dieser Test, dass der partielle Druck P1 des Wasserstoffgases an den Anoden und das Anodenpotenzial miteinander in Verbindung stehen. Der 5 kann entnommen werden, dass das Anodenpotenzial nicht abrupt steigt, wenn der partielle Druck P1 des Wasserstoffgases gleich einem oder höher als ein voreingestellter unteren Grenzwert P1L ist. Der voreingestellte untere Grenzwert P1L dient als ein kritischer Anodendruck.
  • Der partielle Druck P1 des Wasserstoffgases weist einen Wert auf, welcher durch Subtrahieren eines Wasserdampf-Partialdrucks P3 von einem Anodendruck P2 erzeugt wird. Folglich wird der Wasserdampf-Partialdruck P3, welcher einer erfassten Temperatur entspricht, aus einer Zuordnung von Temperaturen und Wasserdampf-Partialdrücken P3 bestimmt, wohingegen der Partialdruck P1 des Wasserstoffgases durch Subtrahieren des Wasserdampf-Partialdrucks P3 von dem Anodendruck P2 berechnet wird.
  • 6 zeigt die Beziehung zwischen Anodendruck P2, Wasserstoffgastemperatur und Anodenpotenzial. Ein voreingestellter unterer Grenzwert P1L für den Partialdruck P1 des Sauerstoffgases wird auf Grundlage des Anodendrucks P2L festgelegt, bei welchem das Anodenpotenzial abrupt zu steigen beginnt (P2L – P3 = P1L).
  • Wenn ein Zündschalter (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgeschaltet wird, wird das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems gestartet (Schritt S1 in 4).
  • Nach dem Verstreichen einer vorbestimmten Zeit zum Ausschalten eines Zündschalters, welche beispielsweise eine Fehlererkennungszeit umfasst, wird ein Abgabevorgang gestartet (Schritt S2). Insbesondere wird das Absperrventil 65 geschlossen und das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 wird durch Beenden des Öffnungsvorgangs desselben geschlossen (siehe 7).
  • Die Drehgeschwindigkeit der Luftpumpe 50 der Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas ist gegenüber der Drehgeschwindigkeit im normalen Betrieb erheblich reduziert, um das sauerstoffhaltige Gas bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zuzuführen, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie ist ungefähr auf 1 eingestellt. Wenn nötig, kann die Luftpumpe 50 mit derselben Drehgeschwindigkeit, wie die Drehgeschwindigkeit während des normalen Betriebs betrieben werden, obwohl während derartigen Zeiten die Sauerstoff-Stöchiometrie nicht auf der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie beschränkt ist.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 generiert weiterhin Elektrizität, welche eine Spannung (FC-Spannung) aufweist, die auf einem höheren Spannungsniveau als in dem normalen Elektrogenerationsmodus eingestellt ist. Von dem Brennstoffzellenstapel 12 (FC-Strom) gesammelte Strom wird auf einen Wert gesetzt, welcher verhindert, dass Wasserstoffgas als das Brennstoffgas durch die Festpolymerelektrolymembranen 22 passiert und sich von den Anoden in Richtung der Kathoden bewegt. In 2 sind das FC-Schütz 86 und das Batterien-Schütz 92 eingeschaltet, wodurch die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität zur Ladung der Batterie 17 zugeführt werden kann, nachdem deren Spannung durch den DC/DC-Wandler 90 reduziert wurde.
  • Wie oben beschrieben, wird Luft bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt und der Brennstoffzellenstapel 12 generiert Elektrizität, während dem Brennstoffzellenstapel 12 aufgrund des geschlossenen Absperrventils 65 kein Wasserstoffgas zugeführt wird. Die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität wird als ein Ergebnis des Zuführens der Batterie 17 (Batterie DCHG in 3) abgegeben. Wenn die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierten Elektrizität auf eine gegebene Spannung sinkt, d. h. auf eine Spannung N1 (V), welche für die Batterie 17 nicht mehr anwendbar ist und welche im Wesentlichen die gleiche ist, als die Spannung an der Batterie 17, dann wird die generierte Elektrizität nur der Luftpumpe 50 zugeführt.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 12 wird die Konzentration von Wasserstoff an den Anoden verringert und die Konzentration von Sauerstoff an den Kathoden verringert. Wenn der Wasserstoffdruck an den Anoden gleich einem oder niedriger als ein voreingestellter Druck wird, wird die Luftpumpe 50 ausgeschaltet und das Batterien-Schütz 92 wird ausgeschaltet. Der voreingestellte Druck bezieht sich auf einen Druck, bei welchem die Spannung der erzeugten Elektrizität zu niedrig ist, um die Luftpumpe 50 zu betätigen.
  • Wie in 8 gezeigt, generiert der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität mit dem darin verbleibenden Wasserstoffgas und der darin verbleibenden Luft. Die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierten Elektrizität wird durch den Herunterwandler 96 verringert und wird danach zur Ladung der 12-V-Stromversorgung 98 (D/V DCHG in 3) zugeführt. Wenn nötig, kann die Spannung auch einem Kühlerlüfter oder dergleichen, nicht gezeigt, zugeführt werden. Wenn die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierten Elektrizität auf ein Niveau verringert wird, welches sich der Grenzbetriebsspannung des Herunterwandlers 96 annähert, wird das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 temporär für atmosphärischen Druck geöffnet und das FC-Schütz 86 ausgeschaltet.
  • Während des oben beschriebenen Abgabevorgangs detektiert die Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 durch den Drucksensor 100 den Anodendruck P2 einschließlich des Druckes des dem Brennstoffzellenstapels 12 zugeführten Wasserstoffgas (Schritt S3) und die Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 detektiert auch die Wasserstoffgastemperatur, d. h. die Anodengastemperatur, durch den Temperatursensor 102. Die Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 berechnet einen Wasserdampf-Partialdruck P3 aus der detektierten Wasserstofftemperatur und berechnet einen Wasserstoffgas-Partialdruck P1 durch Subtrahieren des Wasserdampf-Partialdruckes P2 von dem detektierten Anodendruck P2.
  • Dann wird bestimmt, ob der berechnete Wasserstoffgas-Partialdruck P1 gleich dem oder höher als der voreingestellte niedrige Grenzwert P1L für den Brenngasdruck ist oder nicht (Schritt P5). Wenn es beurteilt wird, dass der berechnete Wasserstoff-Partialdruck P1 gleich dem oder höher als der voreingestellte untere Grenzwert P1L für den Brenngasdruck ist (JA in Schritt S5), fährt der Regelungs-/Steuerungsvorgang mit Schritt S6 fort, zu welchem Zeitpunkt der Abgabevorgang abgeschlossen ist. Insbesondere ist das Regelungs-/Steuerungsventil 58 temporär für atmosphärischen Druck geöffnet und das FC-Schütz 86 ausgeschaltet.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform werden, wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist, das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 der Luftpumpe 50 und das Absperrventil 65 betätigt. Somit generiert der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität mit dem Wasserstoffgas und der Luft, welche darin verblieben sind und die gerierte Elektrizität wird dadurch, dass sie der Batterie 17 zugeführt wird, abgegeben.
  • Die Wasserstoffkonzentration wird an jeder der Anoden in den Brennstoffzellenstapel 12 reduziert und die Konzentration von Sauerstoff wird reduziert und von Stickstoff wird erhöht an jeder der Kathoden in dem Brennstoffzellenstapel 12. An den Kathoden wird Stickstoffgas mit einer hohen Konzentration als ein Abgabegas generiert und das Stickstoffgas wird dem Verdünnungsbehälter 60 und dem Speicherpuffer 76 zugeführt. An den Anoden entwickelt sich, bedingt durch die reduzierte Konzentration von Wasserstoff ein Unterdruck, wodurch ermöglicht wird, dass das Stickstoffgas durch die Festpolymerelektrolytmembrane 22 von den Kathoden zu den Anoden passiert.
  • Da kein Wasserstoff die Kathoden erreicht und dort mit Sauerstoff reagiert, wird es in geeigneter Weise verhindert, dass die Festpolymerelektrolytmembrane 22 beschädigt werden. Der Brennstoffzellenstapel 12 zusammen mit den damit verbundenen Gasleitungen werden mit Stickstoffgas als ein inaktives Gas gefüllt. Somit wird es, soviel wie möglich verhindert, dass die Brennstoffzellen 20 beschädigt werden.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform generiert der Brennstoffzellenstapel 12 durch Ausschalten der Luftpumpe 50 während dem Brennstoffzellenstapel 12 keine Luft zugeführt wird, Elektrizität nur mit dem darin verbleibenden Wasserstoff und Sauerstoff (D/V DCHG in 3).
  • Wie in 9 gezeigt, weist das Brennstoffzellensystem 10, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität unter Zuführung von Luft von der Luftpumpe 50 generiert, einen Stickstoffaustauschbereich auf, umfassend einen Bereich B und einen Bereich C. Wenn die Luftpumpe 50 ausgeschaltet wird und der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität generiert, expandiert der Stickstoffersetzungsbereich in einem Bereich A an dem Einlass des Brennstoffzellenstapels 12.
  • Dementsprechend wird es verhindert, dass, auch dann, wenn das Brennstoffzellensystem 10 für einen verhältnismäßig langen Zeitbereich ausgeschaltet ist, die Brennstoffzellen 20 beschädigt werden.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform wird die Korrelation zwischen dem Wasserstoffgas-Partialdruck P1 an den Anoden und dem Anodenpotenzial bestimmt und der Wasserstoffgas-Partialdruck P1 wird als ein Beurteilungsstandard verwendet, um ein Erhöhen des Anodenpotenzials zu verhindern. Wenn der Wasserstoff-Partialdruck P1 den voreingestellten unteren Grenzwert P1L auf Grundlage des tatsächlich gemessenen Anodendrucks P2 erreicht, beendet der Brennstoffzellenstapel 12 ein Generieren von Elektrizität.
  • Zu diesem Zeitpunkt kann die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 (FC-Spannung) detektiert werden und der Zeitpunkt, an welchem der Abgabevorgang gestoppt wird, kann in Abhängigkeit einer Reduktion der Zellspannung beurteilt werden. Allerdings kann die Zellspannung entweder durch eine Erhöhung des Anodenpotenzials oder durch eine Reduktion des Kathodenpotenzials verringert werden, obwohl es nicht möglich sein mag, zu beurteilen, ob die Reduktion der Zellspannung einer Erhöhung des Anodenpotenzials oder einer Reduktion des Kathodenpotenzials zuzuschreiben ist.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform, da eine Zunahme des Anodenpotenzials auf Grundlage eines Wasserstoffgas-Partialdrucks P1 beurteilt wird, ist das Anodenpotenzial nicht von einer scharfen Zunahme wegen eines Mangels an Brenngas betroffen und es ist möglich zu verhindern, dass die Brennstoffzellen 20 beschädigt werden. Folglich ist es möglich, eine Beschädigung der Brennstoffzellen 20 mit einer einfachen und kompakten Anordnung zu minimieren.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform wird der Wasserstoff-Partialdruck P1 unter Berücksichtigung des Wasserdampf-Partialdrucks P3 berechnet. Da Wasserstoffgas bis zu einer unteren Grenze davon verbraucht wird, wie durch den Wasserstoffgas-Partialdruck P1 dargestellt, wird jeglicher Wasserstoff, welcher in dem Brennstoffzellenstapel 12 übrig bleibt, so weit wie möglich reduziert.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform werden ferner der Strom und die Spannung, welche aufgefangen werden, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert, auf konstanten Werten eingestellt, um kein Wasserstoff von den Anoden zu den Kathoden zu verlagern. Der generierte Strom, die Zellspannung und die Wasserstoffverlagerung stehen zueinander in Beziehung, wie in 10 gezeigt. Da Wasserstoffverlagerung von den Spannungen abhängt, wie in 10 gezeigt, ist es notwendig die Wasserstoffverlagerung durch Variieren des Stroms zu regeln/steuern. Um die Wasserstoffverlagerung zu regeln/steuern, ist es bevorzugt, den Brennstoffzellenstapel 12 durch Regelung/Steuerung dessen Spannung zu betrieben.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform wird ferner, wenn die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Spannung auf einen voreingestellten Spannungswert N1 (V) oder niedriger verringert wird, die erzeugte Elektrizität nicht mehr der Batterie 17, sondern nur der Luftpumpe 50 zugeführt. Sogar nachdem die erzeugte Elektrizität der Batterie 17 nicht mehr zugeführt werden kann, wird die erzeugte Energie der Luftpumpe 50 zugeführt, wodurch es für den Brennstoffzellenstapel 12 möglich wird, ein Generieren von Elektrizität fortzusetzen.
  • Darüber hinaus wird die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie des Sauerstoffgases auf ungefähr 1 gesetzt. Wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität generiert, verbraucht der Brennstoffzellenstapel 12 Sauerstoff im Wesentlichen vollständig, um effektiv die Stickstoffgaskonzentration zu erhöhen und ein Durchgang von Wasserstoff von den Anoden zu den Kathoden aufgrund eines Mangels an zugeführtem Sauerstoff wird verhindert.
  • Die Sauerstoff-Stöchiometrie sollte vorzugsweise auf einen Wert eingestellt werden, welcher höher wird, wenn die Umgebungstemperatur niedriger ist. Der Grund dafür ist, dass dann, wenn die Temperatur, bei welcher das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet wird, niedrig ist, die Gasmenge, welche von der externen Quelle eingezogen wird, d. h. die Menge an eingezogener Luft aufgrund einer Reduktion der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 und des Befeuchters 54 reduziert wird, so dass gewünschte Effekte erreicht werden, sogar dann, wenn eine Reduktion der Sauerstoffmenge in dem Brennstoffzellensystem 10 niedrig ist.
  • Darüber hinaus führt dann, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität generiert, nachdem die Luftzufuhr dazu gestoppt wird, der Brennstoffzellenstapel 12 die generierte Elektrizität der 12-V-Stromversorgung 98 zu. Die 12-V-Stromversorgung 98 führt Elektrizität den Hilfseinrichtungen des Brennstoffzellenstapels 12 zu. Die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität wird zu diesem Zeitpunkt zuverlässig verbraucht, d. h. abgegeben.
  • Nachdem das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet wurde, wird das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 temporär geöffnet, um den Brennstoffzellenstapel 12 mit Stickstoffgas zu füllen, welches unter einem Unterdruck dem Verdünnungsbehälter 60 und dem Speicherpuffer 76 zugeführt wurde.
  • Danach wird Elektrizität dem Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 nicht mehr zugeführt, wodurch das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58, welches von der Art eines normalerweise geschlossenen Ventils ist, geschlossen wird. Folglich kann das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 einfach geregelt/gesteuert werden und es wird verhindert, dass Sauerstoff in den Brennstoffzellenstapel 12 eingeführt wird.
  • Die Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas umfasst die Ein-Aus-Ventile 61a, 61b, welche dem Einlassdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas beziehungsweise dem Auslassdurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas des Brennstoffzellenstapels 12 nahe gelegen sind. Nachdem das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet wurde, werden die Ein-Aus-Ventile 61a, 61b geschlossen, um so weit wie möglich zu verhindern, dass Luft in den Brennstoffzellenstapel 12 eingeführt wird.
  • Der Verdünnungsbehälter 60 ist stromabwärts des Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventils 58 angeordnet. Der Verdünnungsbehälter 60 speichert Stickstoffgas, welches erzeugt wird, wenn das Brennstoffzellensystem 10 Elektrizität unter Verwendung von Luft bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert. Wenn, nachdem das Brennstoffzellensystem 10 abgeschaltet wurde, ein Unterdruck in dem Brennstoffzellenstapel 12 entsteht, wird Stickstoffgas dem Verdünnungsbehälter 60 zugeführt oder aus diesem entzogen und dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt.
  • Der Speicherpuffer 76 ist stromabwärts des Verdünnungsbehälters 60 angeordnet. Der in dem Speicherpuffer 76 gespeicherte Stickstoff kann dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt werden.
  • Ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird weiter unten mit Bezug auf das Zeitdiagramm aus 11 beschrieben.
  • Wie oben beschrieben, funktioniert das Brennstoffzellensystem 10, welches auf einem Brennstoffzellenfahrzeug (nicht gezeigt) montiert ist, normalerweise um das Brennstoffzellenfahrzeug anzutreiben. Wenn der Zündschalter (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenfahrzeugs ausgeschaltet wird, wird das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 eingeleitet.
  • Als erstes wird der Druck voreingestellt, bei welchem Wasserstoffgas, d. h. ein Brenngas zugeführt wird, um den Brenngasdruck in dem Brennstoffzellenstapel 12 bei einem voreingestellten Druck zu halten, nachdem ein Abgabevorgang, welcher später beschrieben wird, durchgeführt wird. Insbesondere, wie in 12 gezeigt, umfasst ein Wasserstoffgasvolumenbereich 110, welcher mit Wasserstoffgas gefüllt ist und geschlossen ist, den Brenngasströmungsfeld 36, den Brenngaseinlassdurchgang 40a und den Brenngasauslassdurchgang 40b in dem Brennstoffzellenstapel 12, einen Bereich des Wasserstoffzufuhrdurchgangs 64, welcher sich stromabwärts des Auswerfers 66 erstreckt, den Wasserstoffzirkulationspfad 68, und einen Bereich des Abgasdurchgangs 70, welcher sich stromaufwärts des Absaugventils 72 erstreckt.
  • Ein Luftgasvolumenbereich 112, welcher eine Luftatmosphäre mit einer Stickstoffatmosphäre austauscht, umfasst das Strömungsfeld 34 für sauerstoffhaltiges Gas, den Einlassdurchgang 38a, für sauerstoffhaltiges Gas und den Auslassdurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas in dem Brennstoffzellenstapel 12, den Luftzufuhrdurchgang 52, den Luftabgabedurchgang 56, den Befeuchter 54, den Verdünnungsbehälter 60 und den Speicherpuffer 76.
  • Während des Abgabevorgangs wird Luft bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zugeführt, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie wird ungefähr auf 1 gesetzt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Zufuhr von Wasserstoffgas unterbrochen.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 12 verbliebener Sauerstoff, welcher durch eine Stickstoffatmosphäre durch den Luftgasvolumenbereich 112 auszutauschen ist, weist eine Molarzahl N02 auf. Sauerstoff in dem Befeuchter 54, in dem Verdünnungsbehälter 60 und in dem Speicherpuffer 76, welcher mit einer Stickstoffatmosphäre durch die von der Luftpumpe 50 zugeführte niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auszutauschen ist, weist eine Molarzahl N'02 auf. Der in dem Wasserstoffgasvolumenbereich 110 verbleibende Wasserstoff weist eine Molarzahl NH2 auf. Die Molarzahlen N02, N'02 und NH2 werden derart gesetzt, um zueinander durch die Gleichung 2(N02 + N'02) = NH2 zu stehen.
  • Ein Druck Pa, bei welchem das Wasserstoffgas zugeführt wird (Anodendruck), wird aus der eingestellten Molarzahl N2 des verbliebenen Wasserstoffs, gemäß der Gleichung N (Molarzahl) = P (Druck) × V (Volumen)/R (Gaskonstante) × P (absolute Temperatur) berechnet (siehe 11). Der Anodendruck Pa wird eingestellt, um gleich einem oder höher als einen konstanten Druck Pb bei Beenden des Abgabevorgangs zu sein, wobei der konstante Druck Pb sich auf einen Druck bezieht, bei welchem unzureichend Wasserstoff oder übermäßig viel Wasserstoff nicht vorkommt.
  • Falls das Volumen des Luftgasvolumenbereichs 112 >> (ist viel größer als) das Volumen des Wasserstoffvolumenbereichs 110 ist, wird ein Vorgang des Erhöhens des Drucks in dem Brennstoffzellenstapel 12 auf den Anodendruck Pa (zweite Ausführungsform) durchgeführt oder ein Vorgang des Zuführens von ungenügend Wasserstoff (dritte Ausführungsform) ausgeführt, um das Volumen des Wasserstoffgasvolumenbereich 110 zu erhöhen.
  • Umgekehrt, falls das Volumen des Wasserstoffvolumenbereichs 110 >> das Volumen des Luftgasvolumenbereichs 112 ist, wird ein Vorgang des Reduzierens des Drucks in dem Brennstoffzellenstapels 12 auf den Anodendruck Pa ausgeführt, um das Volumen des Wasserstoffgasvolumenbereichs 110 zu reduzieren.
  • Danach wird, wie in 11 gezeigt, wenn der Zündschalter ausgeschaltet wird, das Absperrventil 65 geöffnet, um Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 12 zuzuführen und der Druck in dem Brennstoffzellenstapel 12 steigt auf den Anodendruck Pa (Druckzunahmevorgang). Der Anodendruck Pa wird gemäß der obigen Gleichung berechnet.
  • Nach dem Druckerhöhungsvorgang wird ein Abschaltvorgang eingeleitet. In dem Abschaltvorgang wird das Absperrventil 65 geschlossen und ein Spülvorgang (Kathodenspülvorgang) wird unter Verwendung von Luft auf die Kathoden ausgeführt. Nach dem Abschaltvorgang wird das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 durch Beenden dessen Öffnungsvorgangs geschlossen (siehe 7). Die Drehgeschwindigkeit der Luftpumpe 50 der Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas wird im Vergleich zur Drehgeschwindigkeit während des normalen Betriebs erheblich reduziert, wodurch das sauerstoffhaltige Gas bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zugeführt wird, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus des Brennstoffzellenstapels 12 ist. Die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie wird auf ungefähr 1 gesetzt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 generiert weiterhin Elektrizität unter einer Spannung (FC-Spannung), welche auf einem höheren Spannungsniveau als in dem normalen Elektrogenerationsmodus eingestellt ist. Ein von dem Brennstoffzellenstapel 12 aufgefangener Strom (FC-Strom) wird auf einen Wert eingestellt, damit blockiert wird, dass Wasserstoffgas als ein Brenngas durch die Festpolymerelektrolytmembrane 20 passiert und sich von den Anoden zu den Kathoden bewegt. In 2 sind das FC-Schütz 86 und das Batterien-Schütz 92 eingeschaltet, wodurch es ermöglicht wird, dass die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität zum Laden der Batterie 17 zugeführt wird, nachdem deren Spannung durch den DC/DC-Wandler 90 reduziert wurde.
  • Wie oben beschrieben, wird dem Brennstoffzellenstapel 12 Luft bei einem niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zugeführt und der Brennstoffzellenstapel 12 generiert Elektrizität, während dem Brennstoffzellenstapel 12 dadurch, dass das Absperrventil 65 geschlossen ist, kein Wasserstoffgas zugeführt wird. Die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität wird als ein Ergebnis davon, dass sie der Batterie 17 (Batterie DCHG in 11) zugeführt wird, abgegeben. Wenn die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierten Elektrizität auf eine gegebene Spannung abfällt, d. h. eine Spannung N1 (V), welche auf die Batterie 17 nicht mehr anwendbar ist und welche im Wesentlichen die gleiche, als die Spannung an der Batterie 17 ist, dann wird die generierte Elektrizität nur der Luftpumpe 50 zugeführt.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 12 wird die Konzentration von Wasserstoff an den Anoden gesenkt und die Konzentration von Sauerstoff an den Kathoden gesenkt. Wenn die Konzentration von Wasserstoff an den Anoden gleich einem oder niedriger als ein voreingestellter Druck wird, wird die Luftpumpe 50 ausgeschaltet und das Batterien-Schütz 92 wird ausgeschaltet.
  • Wie in 8 gezeigt, generiert der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität mit dem darin verbliebenen Wasserstoffgas und der darin verbliebenen Luft. Die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Elektrizität wird durch den Herunterwandler 96 verringert und dann der 12-V-Stromversorgung 98 (D/V DCHG in 11) zugeführt. Wenn nötig, kann die Spannung auch einem Kühlerlüfter oder dergleichen, nicht gezeigt, zugeführt werden. Wenn die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 erzeugten Elektrizität auf ein Niveau abfällt, welches sich der Betriebsgrenzspannung des Herunterwandlers 96 annähert, wird das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 temporär für atmosphärischen Druck geöffnet und das FC-Schütz 86 wird ausgeschaltet.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform werden, wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist, das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58, die Luftpumpe 50 und das Absperrventil 65 betätigt, nachdem der Druck in dem Brennstoffzellenstapel 12 auf den Anodendruck Pa erhöht wird und bevor Wasserstoffgas nicht mehr zugeführt wird. Somit generiert der Brennstoffzellenstapel 12 Elektrizität mittels den verbliebenen Wasserstoffgas und der verbliebenen Luft und die generierte Elektrizität wird als ein Ergebnis davon, dass sie der Batterie 17 zugeführt wird, abgegeben.
  • Die Wasserstoffkonzentration wird an den Anoden des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert, wohingegen an den Kathoden in dem Brennstoffzellenstapel 12 die Sauerstoffkonzentration reduziert wird und die Stickstoffkonzentration erhöht wird. An den Kathoden wird Stickstoffgas mit einer hohen Konzentration als ein Abgabegas generiert und dem Verdünnungsbehälter 60 und dem Speicherpuffer 76 zugeführt. An den Anoden entwickelt sich ein Unterdruck infolge der reduzierten Wasserstoffkonzentration, wodurch ermöglicht wird, dass Stickstoffgas von den Kathoden zu den Anoden durch die Festpolymerelektrolytmembrane 22 passiert.
  • Wie in 12 gezeigt, werden der Wasserstoffgasvolumenbereich 110, welcher den Brennstoffzellenstapel 12 umfasst, und der Luftgasvolumenbereich 112, mit Stickstoff als ein inaktives Gas gefüllt. Somit wird eine Verschlechterung der Brennstoffzellen 20 durch eine einfache und kompakte Anordnung so weit wie möglich verhindert.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform wird vor dem Beenden des Zuführens des Wasserstoffgases der Druck, bei welchem das Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird, auf den Anodendruck Pa weiterhin erhöht. Somit generiert der Brennstoffzellenstapel 12 in geeigneter Weise Elektrizität bei einer niedriegen Sauerstoff-Stöchiometrie, während der Brennstoffzellenstapel 12 mit einer angemessenen Menge an Wasserstoff gefüllt wird, wodurch es möglich wird, zuverlässig zu verhindern, dass übermäßiges Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellenstapel 12 übrig bleibt und auch zuverlässig zu verhindern, dass sich, nachdem der Abgabevorgang beendet ist, ein Anodenunterdruck wegen eines Mangels an Wasserstoffgas entwickelt.
  • 13 ist ein Zeitdiagramm, welches ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem 10 kann der Wasserstoffdruck in der Brennstoffzellenstapel 12, bevor der Abgabevorgang beginnt, nachdem der Wasserstoffdruck auf den gewünschten Anodendruck Pa gestiegen ist, sinken (siehe die Zwei-Punkt-und-Strich-Linien Kurve in 13). Der Grund dafür liegt darin, dass beispielsweise bedingt durch eine Performance-Verschlechterung der Brennstoffzellen 20, Wasserstoffgas von dem Brenngasströmungsfeld 36 in das Strömungsfeld 34 für sauerstoffhaltiges Gas passieren kann, wodurch eine Wasserstoffdruckreduktion bewirkt wird. Dementsprechend kann der Wasserstoffdruck nach dem Beenden des Abgabevorgangs auf einen konstanten Druck Pb oder darunter abfallen.
  • Andererseits neigt die Spannung (FC-Spannung) dazu, bedingt durch eine Performance-Verschlechterung der Brennstoffzellen 20, niedriger zu sein (siehe die Zwei-Punkt-und-Strich-Linien Kurve in 13). Während des Abgabevorgangs kann die FC-Spannung sogar auf eine negative Spannung abfallen, welche niedriger als 0 V ist.
  • Gemäß der dritten Ausführungsform wird somit, wenn ein Abfall der Anodenspannung Pa durch die Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 detektiert wird, das Absperrventil 65 intermittierend geöffnet und geschlossen. Dementsprechend wird dem Brennstoffzellenstapel 12 intermittierend Wasserstoffgas von dem Wasserstofftank 62 zugeführt, wodurch der Anodendruck Pa aufrechterhalten wird. Somit bietet die dritte Ausführungsform dieselben Vorteile als die der zweiten Ausführungsform an.
  • 14 zeigt ein Brennstoffzellensystem 120, auf welchem ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Wie in 14 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 120 einen Brennstoffzellenstapel 12, eine Zufuhrvorrichtung 14 für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Kühlmittelzufuhrvorrichtung 122 zum Zuführen eines Kühlmittels zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Brenngaszufuhrvorrichtung 16 zum Zuführen eines Brenngases zu dem Brennstoffzellenstapel 12, eine Batterie (Elektrospeichervorrichtung) 17, welche mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbindbar ist und eine Regelungs-/Steuerungseinrichtung 18 zum Regeln/Steuern des Brennstoffzellensystems 10 in seiner Gesamtheit. Komponenten des Brennstoffzellensystem 120, welche mit denen des Brennstoffzellensystems 10 identisch sind, werden durch identische Bezugszeichen bezeichnet, und solche Merkmale werden im Folgenden nicht detailliert beschrieben.
  • Ein Kühlmittelströmungsfeld 124 ist zwischen jeder der Brennstoffzellen 20 definiert. Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst einen Einlassdurchgang 38a für sauerstoffhaltiges Gas, einen Brenngaseinlassdurchgang 40a, einen Kühlmitteleinlassdurchgang 126a zum Zuführen eines Kühlmittels, wie beispielsweise reines Wasser oder Ethylenglykol, einen Auslassdurchgang 38b für sauerstoffhaltiges Gas, einen Brenngasauslassdurchgang 40b und einen Kühlmittelabgabedurchgang 126b zum Abgeben des Kühlmittels, wobei sich alle durch die gestapelten Brennstoffzellen 20 hindurch erstrecken.
  • Die Kühlmittelzufuhrvorrichtung 122 umfasst einen Kühlmittelzirkulationspfad 128 zum Zirkulieren des Kühlmittels zu dem Brennstoffzellenstapel 12. Der Kühlmittelzirkulationspfad 128 wird in Fluidverbindung mit dem Kühlmitteleinlassdurchgang 126a und mit dem Kühlmittelauslassdurchgang 126b gehalten. Der Kühlmittelzirkulationspfad 128 ist mit einem Kühler 130, einem Thermostat 132 und einer Pumpe 134 für die Kühlmittelzirkulation verbunden. Der Kühler 130 ist mit einem Kühlerlüfter 136 kombiniert.
  • Ein Umgehungsdurchgang 128a, welcher den Kühler 130 umgeht, ist mit dem Thermostat 132 verbunden. Das Thermostat 132 bringt den Kühler 130 und den Umgehungsdurchgang 128a selektiv in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelzirkulationspfad 128 auf Grundlage der Temperatur des Kühlmittels. Wie in 15 gezeigt, ist die 12-V-Stromversorgung 98 mit verschiedenen Brennstoffzellen-Hilfseinrichtungen verbunden, wie beispielsweise mit dem Kühlerlüfter 136 und der Pumpe 134.
  • Wie bei der ersten Ausführungsform wird das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 120 gemäß des Zeitdiagramms aus 3 ausgeführt.
  • In der Kühlmittelzufuhrvorrichtung 122 sind der Kühlmitteleinlassdurchgang 126a und der Kühlmittelauslassdurchgang 126b des Brennstoffzellenstapels 112 mit einem Kühlmittelzirkulationspfad 128 verbunden, welcher mit einer Kühlmittelpumpe 134 verbunden ist. Wenn die Kühlmittelpumpe 134 in Betrieb ist, führt die Kühlmittelpumpe 134 das Kühlmittel aus dem Kühlmittelzirkulationspfad 128 in den Kühlmitteleinlassdurchgang 126a ein, von wo aus das Kühlmittel durch ein Kühlmittelströmungsfeld 124 in jede der Brennstoffzellen 20 einfließt. Nachdem die Brennstoffzellen 20 gekühlt worden sind, wird das Kühlmittel aus dem Kühlmittelauslassdurchgang 126b zurück in den Kühlmittelzirkulationspfad 128 abgegeben.
  • In der Kühlmittelzufuhrvorrichtung 122 wird in dem Abgabevorgang die Pumpe 134 betätigt, um das Kühlmittel durch den Kühlmittelzirkulationspfad 128 und den Brennstoffzellenstapel 12 zu zirkulieren und um das Kühlmittel an den Kühler 130 abzugeben. Wenn das Kühlmittel durch den Kühler 130 durchgeht, wird das Kühlmittel durch die durch den Kühlmittellüfter 136 geblasene Luft gekühlt, um dadurch den Brennstoffzellenstapel 12 auf eine Temperatur zu kühlen, die nahe der Umgebungslufttemperatur ist.
  • Wenn die Spannung der durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität auf ein Niveau absinkt, welches nahe der Betriebsgrenzspannung des Herunterwandlers 96 liegt, wird das Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil 58 temporär für atmosphärischen Druck geöffnet und das FC-Schütz 86 wird ausgeschaltet.
  • Gemäß der vierten Ausführungsform wird dann, wenn der Brennstoffzellenstapel 12, nachdem keine Luft mehr dazugeführt wird, Elektrizität generiert, die durch den Brennstoffzellenstapel 12 generierte Elektrizität der 12-V-Stromversorgung 98 zugeführt. Die 12-V-Stromversorgung 98 führt danach die Elektrizität den Brennstoffzellen-Hilfseinrichtungen zu, z. B. dem Kühlerlüfter 136 und der Pumpe 134. Die Elektrizität, die durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu diesem Zeitpunkt generiert wird, wird zuverlässig verbraucht, d. h. abgegeben.
  • Wie in 16 gezeigt, kann die Spannung des Brennstoffzellenstapels 12, d. h. die Stapelspannung auf eine niedrige Spannung herabgesetzt werden, wodurch die Sauerstoffkonzentration in dem Brennstoffzellenstapel 12 weiter reduziert wird. Somit wird, während der Brennstoffzellenstapel 12 abgeschaltet wird, verhindert, dass die Festpolymerelektrolytmembrane 22 durch eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff beschädigt werden. Darüber hinaus wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 in Betrieb genommen wird, durch Blockieren eines durch einen Sauerstoffmangel bedingten Korrosionsstrom verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel 12 unter einer fehlerhaften Inbetriebnahme leidet.
  • In dem Abgabevorgang kühlt die Kühlmittelzufuhrvorrichtung 122 den Brennstoffzellenstapel 12. Folglich werden, wie in 17 gezeigt, die Brennstoffzellen 20, welche im Allgemeinen eher bei höheren Temperaturen beschädigt werden, nicht hohen Temperaturen ausgesetzt, sondern es wird verhindert, dass sie beschädigt werden, während die Brennstoffzellen 20 abgeschaltet werden, und es wird auch verhindert, dass sie beschädigt werden, wenn die Brennstoffzellen 20 in Betrieb genommen werden.
  • Falls der Brennstoffzellenstapel 12 während des Abschaltens einen Temperaturabfall erfährt, saugt der Brennstoffzellenstapel 12 Luft von außerhalb des Brennstoffzellensystems 10 ein, wodurch bewirkt wird, dass die Konzentration des sauerstoffhaltigen Gases in dem Brennstoffzellenstapel 12 steigt. Durch Abschalten des Brennstoffzellenstapels 12, während er gekühlt wird, erfährt der Brennstoffzellenstapel 12 fast keinen Temperaturabfall während dessen Abschaltens und der Betrag an angesaugter Luft wird reduziert und ferner wird die Rate, bei welcher die Sauerstoffkonzentration steigt, ebenfalls reduziert. Folglich ist es möglich, eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 12 durch eine einfache und kompakte Anordnung zu minimieren.
  • Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10), umfassend einen ersten Schritt des Zuführens von Wasserstoffgas und Luft einem Brennstoffzellenstapel (12), um dadurch zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel (12) Elektrizität generiert und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Wasserstoffgases und danach Zuführen von Luft dem Brennstoffzellenstapel (12), um zu bewirken, dass der Brennstoffzellenstapel (12) Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten des Brennstoffzellenstapels (12) detektiert wird. In dem zweiten Schritt wird bewirkt, dass, wenn der Druck des Wasserstoffgases auf einen voreingestellten unteren Grenzwert auf Grundlage eines tatsächlich gemessenen Anodendrucks verringert wird, der Brennstoffzellenstapel (12) ein Generieren von Elektrizität beendet.
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Claims (25)

  1. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine Brennstoffzelle (20) zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle (20) und eine Zufuhrvorrichtung (16) für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert; und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases, während das sauerstoffhaltige Gas zu der Brennstoffzelle (20) zugeführt wird, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle (20) detektiert wird, wobei, dann, wenn im zweiten Schritt der Druck des Brenngases an der Anode auf einen voreingestellten unteren Grenzwert auf Grundlage eines tatsächlich gemessenen Anodendrucks verringert wird, bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle (20) ein Generieren von Elektrizität beendet.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der voreingestellte untere Grenzwert ein kritischer Anodendruck ist, an welchem das Potenzial an der Anode zu steigen beginnt, wenn der Druck des Brenngases verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im zweiten Schritt der Anodendruck gemessen wird, ein Wasserdampf-Partialdruck berechnet wird und der Druck des Brenngases durch Subtrahieren des Wasserdampf-Partialdrucks von dem Anodendruck berechnet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem zweiten Schritt das sauerstoffhaltige Gas der Brennstoffzelle (20) bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zugeführt wird, welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle (20) ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auf ungefähr 1 eingestellt wird.
  6. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine Brennstoffzelle (20) zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle (20) und eine Zufuhrvorrichtung (16) für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert; und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle (20), welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle (20) ist, um dadurch zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle (20) detektiert wird, wobei, dann, wenn der zweite Schritt beendet ist, der Druck, mit dem das Brenngas zugeführt wird, erhöht oder verringert wird, und zwar vor dem Beenden der Brenngaszuführung, um den Druck des Brenngases in der Brennstoffzelle (20) bei einem konstanten Druck oder höher zu halten.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei im zweiten Schritt das Brenngas zugeführt wird, wenn der Druck des Brenngases in der Brennstoffzelle (20) gleich dem oder niedriger als der konstante Druck wird, bevor die Brennstoffzelle (20) beginnt, Elektrizität bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu erzeugen, nachdem die Abschalt-Anweisung detektiert worden ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei im zweiten Schritt, wenn die Brennstoffzelle (20) Elektrizität bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert, das Brenngas bei einer Spannungsumpolung der generierten Elektrizität zugeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auf ungefähr 1 eingestellt wird.
  10. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine Brennstoffzelle (20) zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle (20), eine Zufuhrvorrichtung (16) für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20) und eine mit der Brennstoffzelle (20) verbindbare Elektrospeichervorrichtung (17), wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert; einen Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle (20), welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle (20) ist, um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert, wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle (20) detektiert wird; und einen Schritt des Zuführens der durch die Brennstoffzelle (20) generierten Energie zu der Elektrospeichervorrichtung (17).
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Strom, welcher von der Brennstoffzelle (20) aufgefangen wird, wenn die Brennstoffzelle (20) Elektrizität bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie generiert, auf einen Wert eingestellt wird, welcher eine Bewegung des Brenngases von der Anode durch eine Elektrolytmembran (22) zu der Kathode verhindert.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei, dann, wenn die Spannung der durch die Brennstoffzelle (20) erzeugten Elektrizität auf einen voreingestellten Wert oder darunter fällt, ein Zuführen der durch die Brennstoffzelle (20) generierten Elektrizität zu der Elektrospeichervorrichtung (17) beendet wird, und die Elektrizität nur einer Pumpe (50) der Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auf ungefähr 1 eingestellt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auf einen Wert eingestellt wird, welcher größer wird, wenn die Raumlufttemperatur niedriger ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: einen Schritt des Beendens eines Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle (20) und wobei danach bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität nur mit in der Brennstoffzelle (20) verbleibenden Gasen generiert.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Elektrizität, die durch die Brennstoffzelle (20) nur mit in der Brennstoffzelle (20) verbleibenden Gasen generiert wird, einem Brennstoffzellen-Hilfseinrichtungen zugeführt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas einen Abgabedurchgang (56) umfasst, zum Abgeben des benutzten sauerstoffhaltigen Gases aus der Brennstoffzelle (20), wobei der Abgabedurchgang (56) mit einem normalerweise geschlossenen Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil (58) verbunden ist, um den Druck des sauerstoffhaltigen Gases zu regulieren, und wobei nach dem Beenden eines Abschaltvorgangs das normalerweise geschlossene Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil (58) den Abgabedurchgang (56) schließt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas ein Ein-Aus-Ventil (61b) umfasst, welches mit dem Abgabedurchgang (56) stromaufwärts des normalerweise geschlossenen Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventils (58) verbunden ist, und wobei nach dem Beenden des Abschaltvorgangs das Ein-Aus-Ventil (61b) den Abgabedurchgang (56) schließt.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas einen Verdünnungsbehälter (60) umfasst, welcher mit dem Abgabedurchgang (56) stromabwärts des normalerweise geschlossenen Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventils (58) verbunden ist, und wobei, wenn der Abschaltvorgang ausgeführt wird, das normalerweise geschlossene Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil (58) geöffnet wird, um ein abgegebenes Gas in dem Verdünnungsbehälter (60) zu speichern.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Brennstoffzellensystem einen Speicherpuffer (76) umfasst, welcher mit dem Abgabedurchgang (56) stromabwärts des Verdünnungsbehälters (60) verbunden ist, und wobei, wenn der Abschaltvorgang ausgeführt wird, das normalerweise geschossene Gegendruck-Regelungs-/Steuerungsventil (58) geöffnet wird, um das abgegebene Gas in dem Verdünnungsbehälter (60) und dem Speicherpuffer (76) zu speichern.
  21. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas einen Zufuhrdurchgang (52), zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle (20), und ein mit dem Zufuhrdurchgang (52) verbundenes Ein-Aus-Ventil (61a) umfasst, und wobei nach dem Beenden des Abschaltvorgangs das Ein-Aus-Ventil (61a) den Zufuhrdurchgang (52) schließt.
  22. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine Brennstoffzelle (20) zum Generieren von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem einer Kathode zugeführten sauerstoffhaltigen Gas und einem einer Anode zugeführten Brenngas, eine Zufuhrvorrichtung (14) für sauerstoffhaltiges Gas zum Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases zu der Brennstoffzelle (20), eine Zufuhrvorrichtung (16) für Brenngas zum Zuführen des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), eine Kühlmittelzufuhrvorrichtung (122), zum Zuführen eines Kühlmittels zu der Brennstoffzelle (20) und eine mit der Brennstoffzelle (20) verbindbare Elektrospeichervorrichtung (17), wobei das Verfahren umfasst: einen ersten Schritt des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases und des Brenngases zu der Brennstoffzelle (20), um zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert; und einen zweiten Schritt des Beendens des Zuführens des Brenngases und Zuführen des sauerstoffhaltigen Gases bei einer niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle (20), welche niedriger als die Sauerstoff-Stöchiometrie in einem normalen Elektrogenerationsmodus der Brennstoffzelle (20) ist, um dadurch zu bewirken, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität generiert, und Zuführen der durch die Brennstoffzelle (20) generierten Energie zu der Elektrospeichervorrichtung (17), wenn eine Anweisung zum Abschalten der Brennstoffzelle (20) detektiert wird; und einen dritten Schritt des Beendens des Zuführens des sauerstoffhaltigen Gases bei der niedrigen Sauerstoff-Stöchiometrie zu der Brennstoffzelle (20), wobei danach bewirkt wird, dass die Brennstoffzelle (20) Elektrizität nur mit in der Brennstoffzelle (20) verbleibenden Gasen generiert, und Zuführen der durch die Brennstoffzelle (20) generierten Elektrizität zu der Kühlmittelzufuhrvorrichtung (122).
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei eine Spannung der durch die Brennstoffzelle (20) generierten Elektrizität durch einen Herunterwandler (96) verringert wird, und wobei danach die Spannung der Kühlmittelzufuhrvorrichtung (122) zugeführt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Kühlmittelzufuhrvorrichtung (122) einen Kühler (130) zum Kühlen des Kühlmittels, einen mit dem Kühler (130) kombinierten Kühlerlüfter (136) und eine Pumpe (134) umfasst, zum Zirkulieren des Kühlmittels zu der Brennstoffzelle (20), und wobei in dem dritten Schritt die durch die Brennstoffzelle (20) generierte Elektrizität dem Kühlerlüfter (136) und der Pumpe (134) zugeführt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die niedrige Sauerstoff-Stöchiometrie auf ungefähr 1 eingestellt wird.
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