DE102018133581B4

DE102018133581B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018133581B4
Application number: DE102018133581.4A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Shimomura; Masashi Maeda; Norimitsu Takeuchi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: CN110137546A; JP2019139968A; CN110137546B; US20190252704A1; DE102018133581A1; US10886547B2; JP6974205B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) aufweisend:eine Brennstoffzelle (10), umfassend einen Brenngasdurchfluss (18, 18a, 18b), durch den ein Brenngas fließt, und einen Oxidationsgasdurchfluss (19, 19a, 19b), durch den ein Oxidationsgas fließt, wobei sich ein Einlass (20) des Brenngasdurchflusses näher an einem Auslass (23) des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an einem Einlass (22) des Oxidationsgasdurchflusses, sich ein Auslass (21) des Brenngasdurchflusses näher an dem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an dem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses;eine Oxidationsgaszufuhreinheit (32), die das Oxidationsgas der Brennstoffzelle zuführt; undeinen Zufuhrmengencontroller (80), der eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit zu steuern, um eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases an die Brennstoffzelle zu steuern,wobei der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit (32) so zu steuern, dass ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung, wobei der Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem eine Temperatur der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte Temperatur und ein Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle größer ist als ein vorbestimmter Leistungserzeugungsbetrag, wobei der Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle höher ist, als die vorbestimmte Temperatur und der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellen, in denen ein Brenngas und ein Oxidationsgas entgegengesetzt fließen, die Umgebung des Einlasses des Oxidationsgasdurchflusses (mit anderen Worten, die Umgebung des Auslasses des Brenngasdurchflusses) tendenziell trocknet. Ein Verfahren, das die Brenngasströmungsgeschwindigkeit erhöht und/oder den Brenngasdruck reduziert, um das Trocknen der Umgebung des Einlasses des Oxidationsgasdurchflusses zu reduzieren, wenn die Umgebung des Einlasses des Oxidationsgasdurchflusses trocken ist, ist bekannt, wie zum Beispiel in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. JP 2010-538415 A offenbart. Zudem ist bekannt, dass die Umgebung des Einlasses des Brenngasdurchflusses tendenziell aufgrund eines Anstiegs der Brenngasströmungsgeschwindigkeit durch erhöhte Ausgangsleistung trocknet, wenn Leistung erzeugt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist. Zum Beispiel ist bekannt, das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases niedriger anzusetzen als unter normaler Bedingung und/oder das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases niedriger anzusetzen als unter normaler Bedingung, um das Trocknen der Umgebung des Einlasses des Brenngasdurchflusses zu reduzieren, wenn eine Leistung mit einer Stromdichte von 1,4 A/cm² oder mehr erzeugt wird, wie zum Beispiel in der internationalen Veröffentlichungsschrift Nr. WO 2014/017028 A1 offenbart.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe eines Aspekts von Ausführungsformen ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das die Leistungserzeugungsperformance verbessert.
Die obige Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle umfassend einen Brenngasdurchfluss, durch den ein Brenngas fließt, und einen Oxidationsgasdurchfluss, durch den ein Oxidationsgas fließt, wobei sich ein Einlass des Brenngasdurchflusses näher an einem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an einem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses, sich ein Auslass des Brenngasdurchflusses näher an dem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an dem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses; eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die das Oxidationsgas der Brennstoffzelle zuführt; und einen Zufuhrmengencontroller, der eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit zu steuern, um eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases an die Brennstoffzelle zu steuern, wobei der Zufuhrmengencontroller eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit so zu steuern, dass ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung, wobei der Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem eine Temperatur der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte Temperatur und ein Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle größer ist als ein vorbestimmter Leistungserzeugungsbetrag, wobei der Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle höher ist, als die vorbestimmte Temperatur und der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist.
In der obigen Konfiguration kann eine Brenngaszufuhreinheit, die der Brennstoffzelle das Brenngas zuführt, ausgebildet sein, der Zufuhrmengencontroller kann eingerichtet sein, die Brenngaszufuhreinheit zu steuern, um eine Zufuhrmenge des Brenngases an die Brennstoffzelle zu steuern, und der Zufuhrmengencontroller kann eingerichtet sein, die Brenngaszufuhreinheit so zu steuern, dass ein stöchiometrisches Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung kleiner ist als ein stöchiometrisches Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung.
In der obigen Konfiguration kann der Zufuhrmengencontroller eingerichtet sein, die Oxidationsgaszufuhreinheit so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung, größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist.
In der obigen Konfiguration kann der Zufuhrmengencontroller eingerichtet sein, die Oxidationsgaszufuhreinheit so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist, und der Zufuhrmengencontroller kann eingerichtet sein, die Brenngaszufuhreinheit so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung einen Wert zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und einem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist, beträgt.
In der obigen Konfiguration kann die vorbestimmte Temperatur 70 °C oder mehr betragen.
In der obigen Konfiguration kann der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle als größer als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag betrachtet werden, wenn eine Stromdichte der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte Stromdichte von 1,0 A/cm² oder mehr.
In der obigen Konfiguration kann der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle als größer als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag betrachtet werden, wenn eine Spannung der Brennstoffzelle kleiner ist als eine vorbestimmte Stromdichte von 0,75 V oder weniger.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung, die eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
2A ist eine Querschnittsansicht einer Einzelzelle und 2B ist eine Draufsicht der Einheitszelle von einer Anodenseparatorseite aus gesehen;
3A und 3B sind Diagramme zur Beschreibung von Problemen, die auftreten, wenn Leistung erzeugt wird, während die Temperatur einer Brennstoffzelle hoch ist;
4 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zur Reduzierung von Trockenheit;
5 stellt eine Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Zellspannung dar;
6A stellt Vergleichsergebnisse von Zellspannungen der ersten Ausführungsform im Vergleich zu einem ersten Vergleichsbeispiel dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist, und 6B stellt Vergleichsergebnisse einer Verteilung der Stromdichte der ersten Ausführungsform im Vergleich zu dem ersten Vergleichsbeispiel dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist;
7 stellt Messergebnisse der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Charakteristik) der Brennstoffzelle bei hoher Temperatur der Brennstoffzelle dar;
8A zeigt Vergleichsergebnisse von Zellspannungen der ersten Ausführungsform, einer zweiten Ausführungsform, dem ersten Vergleichsbeispiel, einem ersten Referenzbeispiel und einem zweiten Referenzbeispiel, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist, und 8B stellt Vergleichsergebnisse einer Verteilung einer Stromdichte der zweiten Ausführungsform, des ersten Vergleichsbeispiels, des ersten Referenzbeispiels und des zweiten Referenzbeispiels dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist; und
9A ist eine Draufsicht einer Einheitszelle entsprechend einer ersten Abwandlung von der Anodenseparatorseite aus gesehen, und 9B ist eine Draufsicht einer Einzelzelle entsprechend einer zweiten Abwandlung von der Anodenseparatorseite aus gesehen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist und der Leistungserzeugungsbetrag durch die Brennstoffzelle hoch ist, bestehen noch Verbesserungsmöglichkeiten hinsichtlich Reduzierung einer Trockenheit der Brennstoffzelle und Erhöhung der Leistungserzeugungsperformance.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Erste Ausführungsform
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellensystem ist zum Beispiel in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut und gibt Strom ab, der entsprechend der Anforderung von dem Fahrer als Antriebsleistung verwendet wird. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Brennstoffzelle 10, ein Oxidationsgasleitungssystem 30, ein Brenngasleitungssystem 40, ein Kühlmittelleitungssystem 60, ein Leistungssystem 70 und eine Steuereinheit 80. Das Oxidationsgasleitungssystem 30 führt der Brennstoffzelle 10 ein Oxidationsgas (z. B. Luft) zu, das als Kathodengas bezeichnet wird, und lässt ein Oxidationsabgas ab, das in der Brennstoffzelle 10 nicht verbraucht wurde. Das Brenngasleitungssystem 40 führt der Brennstoffzelle 10 ein Brenngas (z. B. Wasserstoff) zu, das als Anodengas bezeichnet wird, und lässt ein Brennabgas ab, das in der Brennstoffzelle 10 nicht verbraucht wurde. Das Kühlmittelleitungssystem 60 zirkuliert Kühlmittel, das die Brennstoffzelle 10 durch die Brennstoffzelle 10 kühlt. Das Leistungssystem 70 lädt und entlädt den Strom des Systems. Die Steuereinheit 80 steuert das gesamte System. Ein Stromsensor 1 und ein Spannungssensor 2 sind in der Brennstoffzelle 10 eingebaut. Der Spannungssensor 1 ist mit einer Gleichstromleitung (DC-Leitung) der Brennstoffzelle 10 verbunden, misst den Stromwert, der von der Brennstoffzelle 10 ausgegeben wird, und übermittelt den gemessenen Stromwert an die Steuereinheit 80. Der Spannungssensor 2 ist zwischen den Einheitszellen der Brennstoffzelle 10 verbunden, misst die Spannung in der Brennstoffzelle 10 und übermittelt die gemessene Spannung an die Steuereinheit 80.
Die Brennstoffzelle 10 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, der das Oxidationsgas und das Brenngas zugeführt wird, um Leistung zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, die eine Mehrzahl an gestapelten Einheitszellen aufweist. 2A ist eine Querschnittsansicht der Einzelzelle und 2B ist eine Draufsicht der Einheitszelle von einer Anodenseparatorseite aus gesehen. Wie in 2A dargestellt, umfasst eine Einheitszelle 11 eine Membranelektrodengasdiffusionsschichtanordnung (nachfolgend bezeichnet als MEGA) 16 sowie einen Anodenseparator 17a und einen Kathodenseparator 17c, die die MEGA 16 sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Die MEGA 16 umfasst eine Anodengasdiffusionsschicht 15a und eine Kathodengasdiffusionsschicht 15c und eine Membranelektrodenanordnung (nachfolgend bezeichnet als MEA) 14.
Die MEA 14 umfasst einen Elektrolytfilm 12, eine Anodenkatalysatorschicht 13a, die sich auf einer ersten Oberfläche des Elektrolytfilms 12 befindet, und eine Kathodenkatalysatorschicht 13c, die sich auf einer zweiten Oberfläche des Elektrolytfilms 12 befindet ist. Der Elektrolytfilm 12 ist ein Festpolymerfilm, der, zum Beispiel, aus einem fluorbasiertem Harzmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe oder einem kohlenwasserstoffbasiertem Harzmaterial mit einer Sulfonsäuregruppe besteht, und im nassen Zustand gute Protonenleitfähigkeit aufweist. Die Anodenkatalysatorschicht 13a und die Kathodenkatalysatorschicht 13c enthalten Kohlenstoffpartikel (Ruß oder dergleichen), die einen Katalysator (wie beispielsweise Platin oder eine Platin-Kobalt-Legierung), der die Geschwindigkeit einer elektrochemischen Reaktion beschleunigt, sowie Ionomer tragen, welches ein Festpolymer mit einer Sulfonsäuregruppe aufweist, und im nassen Zustand gute Protonenleitfähigkeit aufweist.
Die Anodengasdiffusionsschicht 15a und die Kathodengasdiffusionsschicht 15c sind aus Elementen mit Gasdurchlässigkeit und Elektronenleitfähigkeit ausgebildet und aus porösen Faserelementen ausgebildet, wie beispielsweise Kohlenstofffasern oder Graphitfasern.
Der Anodenseparator 17a und der Kathodenseparator 17c sind aus Elementen mit Gasbarriereneigenschaft und Elektronenleitfähigkeit ausgebildet. Zum Beispiel sind der Anodenseparator 17a und der Kathodenseparator 17c aus Metallelementen ausgebildet, die aus nichtrostendem Stahl, Aluminium oder Titan ausgebildet sind und ungleichmäßige Formen aufweisen, die durch Biegen durch Pressformen ausgebildet sind, oder aus Kohlenstoffelementen ausgebildet, die aus dichtem Kohlenstoff ausgebildet sind, welches ausgebildet wird, indem Kohlenstoff komprimiert wird, sodass es eine Gasbarriereneigenschaft aufweist.
Wie in 2B dargestellt, weist der Anodenseparator 17a eine im Wesentlichen rechteckige Form auf und weist, ausgebildet in seinem Randabschnitt, einen Anodeneinlass a1 auf, dem das Brenngas zugeführt ist, einen Anodenauslass a2, aus dem das Brenngas abgelassen wird, einen Kathodeneinlass c1, dem das Oxidationsgas zugeführt wird, einen Kathodenauslass c2, aus dem das Oxidationsgas abgelassen wird, einen Kühlmitteleinlass w1, dem ein Kühlmittel zugeführt wird, und einen Kühlmittelauslass w2, aus dem ein Kühlmittel abgelassen wird. Auf die Darstellung wird verzichtet, aber, wie bei dem Anodenseparator 17a weist der Kathodenseparator 17c ebenfalls eine im Wesentlichen rechteckige Form auf und weist den darin ausgebildeten Anodeneinlass a1, den Anodenauslass a2, den Kathodeneinlass c1, den Kathodenauslass c2, den Kühlmitteleinlass w1 und den Kühlmittelauslass w2 auf. Die Anodeneinlässe a1 einer Mehrzahl der Einheitszellen 11 definieren ein Brenngaszufuhrsammelrohr, die Anodenauslässe a2 der Einheitszellen 11 definieren ein Brenngasablasssammelrohr, die Kathodeneinlässe c1 der Einheitszellen 11 definieren ein Oxidationsgaszufuhrsammelrohr, und die Kathodenauslässe c2 der Einheitszellen 11 definieren ein Oxidationsgasablasssammelrohr. Die Kühlmitteleinlässe w1 der Einheitszellen 11 definieren ein Kühlmittelzufuhrsammelrohr, und die Kühlmittelauslässe w2 der Einheitszellen 11 definieren ein Kühlmittelauslasssammelrohr.
Der Anodeneinlass a1 und der Kühlmittelauslass w2 sind in der kurzen Richtung auf einer ersten Seite der kurzen Seiten von sowohl dem Anodenseparator 17a als auch dem Kathodenseparator 17c nebeneinander ausgebildet. Der Kühlmitteleinlass w1 und der Anodenauslass a2 sind in der kurzen Richtung auf einer zweiten Seite der kurzen Seiten von sowohl dem Anodenseparator 17a als auch dem Kathodenseparator 17c nebeneinander ausgebildet. Die zwei Kathodeneinlässe c1 sind in der langen Richtung auf einer ersten Seite der langen Seiten von sowohl dem Anodenseparator 17a als auch dem Kathodenseparator 17c nebeneinander ausgebildet. Die zwei Kathodenauslässe c2 sind in der langen Richtung auf einer zweiten Seite der langen Seiten von sowohl dem Anodenseparator 17a als auch dem Kathodenseparator 17c nebeneinander ausgebildet.
Ein Brenngasdurchfluss 18, durch den das Brenngas fließt, ist in der Mitte des Anodenseparators 17a ausgebildet. Der Brenngasdurchfluss 18 ist ein sogenannter Serpentinendurchfluss und leitet das Brenngas von dem Anodeneinlass a1 zu dem Anodenauslass a2. Der Brenngasdurchfluss 18 erstreckt sich im Wesentlichen linear von dem Anodeneinlass a1 zu dem Kühlmitteleinlass w1 im Wesentlichen parallel zu der langen Seite des Anodenseparators 17a, krümmt sich nahe dem Kühlmittelauslass w1 und erstreckt sich im Wesentlichen linear von dem Kühlmitteleinlass w1 zu dem Kühlmittelauslass w2 im Wesentlichen parallel zu der langen Seite des Anodenseparators 17a. Der Brenngasdurchfluss 18 krümmt sich nahe dem Kühlmittelauslass w2 und erstreckt sich im Wesentlich linear von dem Kühlmittelauslass w2 zu dem Anodenauslass a2 hin im Wesentlichen parallel zu der langen Seite des Anodenseparators 17a. Die Richtung, in die das Brenngas fließt, wird durch Pfeile mit Volllinien gekennzeichnet. Die Positionen des Kühlmitteleinlasses w1 und des Kühlmittelauslasses w2 sind nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann der Kühlmitteleinlass w1 und der Kühlmittelauslass w2 auf eine Weise angeordnet sein, die zu der in 2B dargestellten Art entgegengesetzt ist, und die Richtung, in die das Kühlmittel fließt, kann zu der Richtung aus 2B entgegengesetzt sein.
Oxidationsgasdurchflüsse 19, die das Oxidationsgas von dem Kathodeneinlass c1 zu dem Kathodenauslass c2 leiten, sind in dem Kathodenseparator 17c ausgebildet. In 2B sind die Oxidationsgasdurchflüsse 19 mit Strichlinien gekennzeichnet. Der Oxidationsgasdurchfluss 19 erstreckt sich im Wesentlichen linear entlang der Richtung der kurzen Seite des Kathodenseparators 17c. Die Richtung, in die das Oxidationsgas fließt, wird durch Pfeile mit Strichlinien gekennzeichnet.
Der Anodeneinlass a1 befindet sich näher an dem Kathodenauslass c2 als an dem Kathodeneinlass c1, und der Anodenauslass a2 befindet sich näher an dem Kathodeneinlass c1 als an dem Kathodenauslass c2. Daher befindet sich ein Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 näher an einem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19 als an einem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19, und ein Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18 befindet sich näher an dem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19 als an dem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19. Das hießt, das Brenngas, das durch den Brenngasdurchfluss 18 hindurchströmt, und das Oxidationsgas, das durch den Oxidationsgasdurchfluss 19 hindurchströmt, fließen im Wesentlichen auf im Wesentlichen entgegengesetzte Art und Weise.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Oxidationsgasleitungssystem 30 eine Oxidationsgaszufuhrleitung 31, einen Luftverdichter 32, einen Luftströmungsmesser 33, ein Öffnungs-/Schließventil 34, ein Befeuchtungsmodul 35, eine Oxidationsgasablassleitung 36, ein Reglerventil 37 und einen Drucksensor 3. Das Befeuchtungsmodul 35 muss nicht notwendigerweise ausgebildet sein. Die Oxidationsgaszufuhrleitung 31 ist ein Rohr, das mit dem Einlass der Kathode der Brennstoffzelle 10 gekoppelt ist. Der Luftverdichter 32 ist durch die Oxidationsgaszufuhrleitung 31 mit der Brennstoffzelle 10 gekoppelt, saugt Außenluft ein und führt der Brennstoffzelle 10 Druckluft als Kathodengas zu. Der Luftverdichter 32 ist ein Beispiel für eine Oxidationsgaszufuhreinheit, die der Brennstoffzelle 10 das Oxidationsgas zuführt. Der Luftströmungsmesser 33 ist weiter stromaufwärts eingebaut als der Luftverdichter 32, misst das Luftvolumen, das in den Luftverdichter 32 eingeführt wird, und übermittelt das gemessene Volumen an die Steuereinheit 80. Die Steuereinheit 80 steuert den Antrieb des Luftverdichters 32 basierend auf dem Messwert von dem Luftströmungsmesser 33, um die Zufuhrmenge an Luft an die Brennstoffzelle 10 zu steuern.
Das Öffnungs-/Schließventil 34 befindet sich zwischen dem Luftverdichter 32 und der Brennstoffzelle 10 und öffnet und schließt entsprechend des Luftflusses in der Oxidationsgaszufuhrleitung 31. Zum Beispiel befindet sich das Öffnungs-/Schließventil 34 während normaler Zeiten in einem geschlossenen Zustand und öffnet sich, wenn Luft mit einem vorbestimmten Druck von dem Luftverdichter 32 durch die Oxidationsgaszufuhrleitung 31 fließt. Das Befeuchtungsmodul 35 befeuchtet Hochdruckluft, die von dem Luftverdichter 32 geliefert wird. Das Befeuchtungsmodul 35 ist auch mit der Oxidationsgasablassleitung 36 gekoppelt und verwendet Wasser des Kathodenabgases, um Hochdruckluft zu befeuchten.
Die Oxidationsgasablassleitung 36 ist eine Leitung, die mit dem Auslass der Kathode der Brennstoffzelle 10 gekoppelt ist, und lässt das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach Außen ab. Das Reglerventil 37 regelt den Druck des Kathodenabgases in der Oxidationsgasablassleitung 36 (Gegendruck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10). Der Drucksensor 3 ist weiter stromaufwärts eingebaut als das Reglerventil 37, misst den Druck des Kathodenabgases und übermittelt den gemessenen Druck an die Steuereinheit 80. Die Steuereinheit 80 passt den Öffnungsgrad des Reglerventils 37 basierend auf dem Messwert von dem Drucksensor 3 an.
Das Brenngasleitungssystem 40 umfasst eine Brenngaszufuhrleitung 41, einen Wasserstofftank 42, ein Öffnungs-/Schließventil 43, eine Regulierungseinrichtung 44, eine Wasserstoffzufuhreinheit 45, einen Drucksensor 4, eine Brenngasablassleitung 46, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 47, eine Brenngaszirkulationsleitung 48, eine Zirkulationspumpe 49, eine Anodenablaufleitung 50 und ein Ablaufventil 51. Der Wasserstofftank 42 ist durch die Brenngaszufuhrleitung 41 mit dem Einlass der Anode der Brennstoffzelle 10 gekoppelt. Das Öffnungs-/Schließventil 43, die Regulierungseinrichtung 44, die Wasserstoffzufuhreinheit 45 und der Drucksensor 4 sind in der Brenngaszufuhrleitung 41 in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite (der Seite des Wasserstofftanks 42) aus angeordnet.
Das Öffnungs-/Schließventil 43 öffnet und schließt sich entsprechend Anweisungen von der Steuereinheit 80 und steuert den Wasserstofffluss in einen Teil, weiter stromaufwärts als die Wasserstoffzufuhreinheit 45, der Brenngaszufuhrleitung 41 von dem Wasserstofftank 42. Die Regulierungseinrichtung 44 ist ein Druckreduzierventil zur Anpassung des Wasserstoffdrucks in dem Teil, der weiter stromaufwärts liegt als die Wasserstoffzufuhreinheit 45, und sein Öffnungsgrad wird von der Steuereinheit 80 gesteuert. Die Wasserstoffzufuhreinheit 45 besteht aus einer Einspritzvorrichtung, das hießt, zum Beispiel einem elektromagnetischen Öffnungs-/Schließventil, und führt der Brennstoffzelle 10 Wasserstoff von dem Wasserstofftank 42 als Anodengas zu. Die Wasserstoffzufuhreinheit 45 ist ein Beispiel für eine Brenngaszufuhreinheit, die der Brennstoffzelle 10 ein Brenngas zuführt. Der Drucksensor 4 misst den Wasserstoffdruck in einem Teil der Brenngaszufuhrleitung 41, welcher weiter stromabwärts liegt als die Wasserstoffzufuhreinheit 45, und übermittelt den gemessenen Druck an die Steuereinheit 80. Die Steuereinheit 80 steuert die Menge an Wasserstoff, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden soll, indem sie die Wasserstoffzufuhreinheit 45 basierend auf dem Messwert von dem Drucksensor 4 steuert.
Die Brenngasablassleitung 46 ist eine Leitung, die den Auslass der Anode der Brennstoffzelle 10 und den Gas-Flüssigkeitsabscheider 47 verbindet, und leitet das Anodenabgas, welches nicht reagiertes Gas (Wasserstoff, Stickstoff oder dergleichen) enthält, das nicht zur Leistungserzeugung verwendet wurde, an den Gas-Flüssigkeitsabscheider 47. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 47 ist mit der Brenngaszirkulationsleitung 48 und der Anodenablaufleitung 50 gekoppelt. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 47 scheidet einen Gasbestandteil und Wasser ab, das in dem Anodenabgas enthalten ist, leitet den Gasbestandteil zu der Brenngaszirkulationsleitung 48 und leitet Wasser zu der Anodenablaufleitung 50. Die Brenngaszirkulationsleitung 48 ist mit der Brenngaszufuhrleitung 41 an der Position gekoppelt, die sich weiter stromabwärts befindet als die Wasserstoffzufuhreinheit 45. Die Zirkulationspumpe 49 ist in der Brenngaszirkulationsleitung 48 ausgebildet. Wasserstoff, der in dem von dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 47 abgeschiedenen Gasbestandteil enthalten ist, wird durch die Zirkulationspumpe 49 der Brenngaszufuhrleitung 41 zugeführt. Wie oben beschrieben zirkuliert das Brennstoffzellensystem 100 Wasserstoff, der in dem Anodenabgas enthalten ist, um der Brennstoffzelle 10 erneut Wasserstoff zuzuführen, wodurch die Nutzungseffizienz von Wasserstoff verbessert wird.
Die Anodenablaufleitung 50 ist eine Leitung zum Ablassen von Wasser, das in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 47 abgeschieden wurde, aus dem Brennstoffzellensystem 100 heraus nach außen. Das Ablaufventil 51 ist in der Anodenablaufleitung 50 ausgebildet und öffnet und schließt sich entsprechend Anweisungen von der Steuereinheit 80. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 schließt die Steuereinheit 80 das Ablaufventil 51 zu normalen Zeiten und öffnet das Ablaufventil 51 zu einer vorbestimmten Ablaufsteuerzeit oder zu einer Steuerzeit zum Ablassen eines Edelgases in dem Anodenabgas.
Das Kühlmittelleitungssystem 60 umfasst eine Kühlmittelleitung 61, einen Radiator 62, ein Dreiwegeventil 63, eine Zirkulationspumpe 64 und Temperatursensoren 6 und 7. Die Kühlmittelleitung 61 ist eine Leitung zum Zirkulieren von Kühlmittel zur Kühlung der Brennstoffzelle 10 und besteht aus einer stromaufwärts angeordneten Leitung 61a, einer stromabwärts angeordneten Leitung 61 b und einer Umgehungsleitung 61c. Die stromaufwärtsseitige Leitung 61a verbindet den Auslass des Kühlmittelauslasssammelrohrs, das sich in der Brennstoffzelle 10 befindet, und den Einlass des Radiators 62. Die stromabwärtsseitige Leitung 61b verbindet den Einlass des Kühlmittelzufuhrsammelrohrs, das sich in der Brennstoffzelle 10 befindet, und den Auslass des Radiators 62. Ein erstes Ende der Umgehungsleitung 61c ist mit der stromaufwärtsseitigen Leitung 61a durch das Dreiwegeventil 63 gekoppelt und ein zweites Ende der Umgehungsleitung 61c ist mit der stromabwärtsseitigen Leitung 61b gekoppelt. Die Steuereinheit 80 passt die Kühlmittelmenge, die in die Umgehungsleitung 61c fließt, an, indem sie das Öffnen/Schließen des Dreiwegeventils 63 steuert, wodurch sie die Kühlmittelmenge steuert, die in den Radiator 62 fließt.
Der Radiator 62 befindet sich in der Kühlmittelleitung 61 und tauscht Wärme zwischen einem Kühlmittel aus, das durch die Kühlmittelleitung 61 fließt, und einer Außenluft, um das Kühlmittel zu kühlen. Die Zirkulationspumpe 64 befindet sich weiter stromabwärtsseitig (befindet sich näher an der Brennstoffzelle 10) als der Teil, mit dem die Umgehungsleitung 61c in der stromabwärtsseitigen Leitung 61b verbunden ist, und wird basierend auf Anweisungen von der Steuereinheit 80 angetrieben. Die Temperatursensoren 6 und 7 befinden sich jeweils in der stromaufwärtsseitigen Leitung 61a und der stromabwärtsseitigen Leitung 61b, messen die Temperatur des Kühlmittels und übermitteln die Messwerte an die Steuereinheit 80. Die Steuereinheit 80 erfasst die Temperatur der Brennstoffzelle 10 basierend auf, zum Beispiel, dem Messwert von dem Temperatursensor 6. Alternativ erfasst die Steuereinheit 80 die Temperaturdifferenz in der Brennstoffzelle 10 basierend auf, zum Beispiel, der Differenz bei den Messwerten zwischen den Temperatursensoren 6 und 7. Die Steuereinheit 80 steuert die Rotationsgeschwindigkeit der Zirkulationspumpe 64 basierend auf der erfassten Temperatur der Brennstoffzelle 10 oder der erfassten Temperaturdifferenz, um die Temperatur der Brennstoffzelle 10 anzupassen.
Das Leistungssystem 70 umfasst einen Hochdruck-Gleichspannungswandler 71, eine Batterie 72, einen Antriebswechselrichter 73, einen Hilfsaggregatwechselrichter 74, einen Antriebselektromotor M3 und einen Hilfsaggregatelektromotor M4. Der Hochdruck-Gleichspannungswandler 71 kann die Gleichspannung von der Batterie 72 anpassen und die angepasste Gleichspannung an den Antriebswechselrichter 73 ausgeben und kann die Gleichspannung von der Brennstoffzelle 10 oder die Spannung von dem Antriebselektromotor M3 anpassen, die von dem Antriebswechselrichter 73 in Gleichspannung umgewandelt wurde, und die angepasste Spannung an die Batterie 72 ausgeben. Der Hochdruck-Gleichspannungswandler 71 steuert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10.
Die Batterie 72 ist eine Sekundärbatterie, die aufgeladen und entladen werden kann, und kann überschüssige Leistung aufladen und zusätzliche Leistung zuführen. Ein Teil des in der Brennstoffzelle 10 erzeugten Gleichstroms wird von dem Hochdruck-Gleichspannungswandler 71 hochgesetzt oder heruntergesetzt, und die Batterie 72 wird aufgeladen. Ein SOC-Sensor 8, der den Ladezustand erfasst, ist in der Batterie 72 eingebaut.
Der Antriebswechselrichter 73 und der Hilfsaggregatwechselrichter 74 wandeln den Gleichstrom, der von der Brennstoffzelle 10 oder der Batterie 72 ausgegeben wird, in Dreiphasenwechselstrom um, und führen den Dreiphasenwechselstrom dem Antriebselektromotor M3 und dem Hilfsaggregatelektromotor M4 zu. Der Antriebselektromotor M3 treibt Räder 90 an. Ein Rotationsgeschwindigkeits-Erfassungssensor 9, der die Rotationsgeschwindigkeit des Antriebselektromotors M3 erfasst, ist in dem Antriebselektromotor M3 eingebaut. Der Hilfsaggregatelektromotor M4 ist ein Elektromotor zum Antreiben von Hilfsaggregaten.
Die Steuereinheit 80 umfasst einen Mikrocomputer, der eine zentrale Prozessoreinheit (CPU), einen Random-Access-Memory (RAM), einen Festwertspeicher (ROM) und dergleichen umfasst. Die Steuereinheit 80 steuert jede Einheit des Brennstoffzellensystems 100 basierend auf jedem eingegebenen Sensorsignal auf integrierte Art und Weise, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zu steuern. Zum Beispiel berechnet die Steuereinheit 80 den angeforderten Ausgangswert an die Brennstoffzelle 10 basierend auf Sensorsignalen, die von einem Gaspedalsensor 92, welcher den Drehwinkel eines Gaspedals 91 erfasst, dem SOC-Sensor 8 und dem Rotationsgeschwindigkeits-Erfassungssensor 9 übermittelt wurden. Der ROM speichert Betriebsprogramme für das Brennstoffzellensystem 100 und verschiedene Kennfelder und verschiedene Schwellwerte, die zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden. Die Steuereinheit 80 steuert die Ventile, die Zirkulationspumpe, den Luftverdichter, und dergleichen, beispielsweise basierend auf Sensorsignalen, und steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 einschließlich des Prozesses zur Reduzierung eines Trocknens der Brennstoffzelle 10, der später beschrieben wird. Die Steuereinheit 80 funktioniert als Zufuhrmengencontroller bei dem Prozess zur Reduzierung von Trockenheit.
Hier wird eine Beschreibung von Problemen gegeben, die auftreten, wenn Leistung erzeugt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle 10, in der das Brenngas und das Oxidationsgas entgegengesetzt fließen, hoch ist. Die 3A und 3B sind Diagramme zur Beschreibung von Problemen, die auftreten, wenn Leistung erzeugt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle hoch ist. 3A stellt die Feuchtigkeitsverteilung und die erzeugte Stromdichteverteilung der Brennstoffzelle 10 von dem Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 zu dem Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18 dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist und die Ausgangsleistung niedrig ist (der Leistungserzeugungsbetrag niedrig ist). 3B stellt die Feuchtigkeitsverteilung und die erzeugte Stromdichteverteilung der Brennstoffzelle 10 von dem Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 zu dem Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18 dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist (der Leistungserzeugungsbetrag hoch ist). In den 3A und 3B sind die Feuchtigkeitsverteilungen mit Volllinien gekennzeichnet, und die erzeugten Stromdichteverteilungen werden durch Strichpunktlinien angegeben.
Wie in 3A dargestellt, ist die Feuchtigkeit in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist und die Ausgangsleistung niedrig ist, was zu einer niedrigen Leistungserzeugungsperformance in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 führt. Der Grund, warum die Feuchtigkeit in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig ist, lautet wie folgt. Da die durch die Leistungserzeugung produzierte Wassermenge gering ist und ein trockenes Oxidationsgas in den Oxidationsgasdurchfluss 19 fließt, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist, ist die Umgebung des Einlasses 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19 tendenziell trocken. Folglich trocknet die Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 tendenziell.
Wie in 3B dargestellt, ist die Feuchtigkeit in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist und die Ausgangsleistung hoch ist, was zu einer niedrigen Leistungserzeugungsperformance in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 führt. Der Grund, warum die Feuchtigkeit in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig ist, lautet wie folgt. Da dem Brenngasdurchfluss 18 eine hohe Menge an trockenem Brenngas zugeführt wird, trocknet die Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 tendenziell. Zudem fließt das angefeuchtete Brenngas auch in den Brenngasdurchfluss 18, wenn das Anodenabgas zirkuliert wird, um es der Brennstoffzelle 10 erneut zuzuführen. Da allerdings die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist, wird die relative Feuchtigkeit niedrig, und folglich trocknet die Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 tendenziell.
Als nächstes wird eine Beschreibung einer Steuerung zur Reduzierung einer Trockenheit gegeben, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 hoch ist, und zur Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance. 4 ist ein Flussdiagramm, das einen Prozess zur Reduzierung von Trockenheit darstellt. Die Bestimmung und die Steuerung in jedem Schritt in 4 werden während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 wiederholt. Wie in 4 dargestellt, führt die Steuereinheit 80 einen normalen Betrieb aus, wenn das Brennstoffzellensystem 100 gestartet wird, welcher die Brennstoffzelle 10 veranlasst, Leistung basierend auf der Antriebsanforderung von dem Fahrer an das Brennstoffzellenfahrzeug zu erzeugen (Schritt S10). Mit normalem Betrieb ist ein Betrieb in dem Zustand gemeint, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle 10 nicht hoch ist. Die Steuereinheit 80 speichert vorübergehend Informationen, die die Leistungserzeugungscharakteristik angeben, wie beispielsweise die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Charakteristik) und die Strom-Leistungs-Kennlinie (I-P-Charakteristik) der Brennstoffzelle 10. Die Steuereinheit 80 betreibt die Brennstoffzelle 10 basierend auf der I-V-Charakteristik und der I-P-Charakteristik. Als stöchiometrische Verhältnisse des Brenngases und des Oxidationsgases, die der Brennstoffzelle 10 zugeführt werden, wird während dem normalen Betrieb das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases zum Beispiel auf 1,25 eingestellt und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wird auf 1,5 eingestellt. Hier ist das stöchiometrische Verhältnis ein Verhältnis der tatsächlich zugeführten Menge des Reaktionsgases zu der Menge des Reaktionsgases, die für den Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle theoretisch nötig ist (die theoretische Verbrauchsmenge des Reaktionsgases).
Als nächstes bestimmt die Steuereinheit 80 während der Ausführung des normalen Betriebs, zu jeder vorbestimmten Zeit (z. B. alle 100 ms), ob sich die Brennstoffzelle 10 in einem Hochtemperaturzustand befindet, das heißt, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer ist als eine vorbestimmte, vorübergehende gespeicherte Temperatur (Schritt S12). Die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kann zum Beispiel basierend auf dem Temperatursensor 6 erhalten werden. Die vorbestimmte Temperatur ist zum Beispiel 70 °C. Daher bestimmt die Steuereinheit 80 zum Beispiel, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer ist als 70 °C. Die vorbestimmte Zeit ist nicht besonders beschränkt und kann 10 ms oder 1 s betragen.
Nun wird der Grund, warum die vorbestimmte Temperatur 70 °C ist, beschrieben. 5 stellt eine Beziehung zwischen der Temperatur der Brennstoffzelle und der Zellspannung dar. Die horizontale Achse in 5 steht für die Temperatur der Brennstoffzelle 10, die von dem Temperatursensor 6 gemessen wird. Die vertikale Achse in 5 steht für die Zellspannung, wenn die Stromdichte 3,2 A/cm² beträgt. Wie in 5 dargestellt, schreitet ein Trocknen des Elektrolytfilms 12 fort, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 70 °C überschreitet, und die Leistungserzeugungsperformance sinkt. Da der Prozess zur Reduzierung von Trockenheit, der gemäß dem Flussdiagramm in 4 ausgeführt wird, darauf abzielt, ein Trocknen bei hohen Temperaturen zu reduzieren, wird die vorbestimmte Temperatur basierend auf den Ergebnissen in 5 auf 70 °C eingestellt. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 70 °C oder mehr beträgt, schreitet ein Trocknen des Elektrolytfilms 12 fort und die Leistungserzeugungsperformance sinkt. Daher ist die vorbestimmte Temperatur vorzugsweise 70 °C oder mehr, sie kann 80 °C oder mehr betragen oder 90 °C oder mehr.
Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist (Schritt S12: Nein), setzt die Steuereinheit 80 den normalen Betrieb fort (Schritt S10). Wenn dagegen bestimmt wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer ist als die vorbestimmte Temperatur (Schritt S 12: Ja), bestimmt die Steuereinheit 80, ob der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als ein vorbestimmter Leistungserzeugungsbetrag (Schritt S14). Zum Beispiel bestimmt die Steuereinheit 80, ob die Stromdichte der Brennstoffzelle 10 größer ist als 1,0 A/cm². Die Stromdichte der Brennstoffzelle 10 kann zum Beispiel basierend auf dem von dem Stromsensor 1 gemessenen Stromwert berechnet werden. Die Details des vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrags werden später beschrieben.
Wenn bestimmt wird, dass der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist (Schritt S14: Nein), stellt die Steuereinheit 80 die jeweiligen stöchiometrischen Verhältnisse des Brenngases und des Oxidationsgases auf die stöchiometrischen Verhältnisse für eine niedrige Ausgangsleistung ein (Schritt S16). Zum Beispiel wird das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases auf 1,66 eingestellt und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wird auf 1,3 eingestellt. Nachfolgend kann der Zustand, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer ist als die vorbestimmte Temperatur und der Leistungserzeugungsbetrag kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist, als Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung bezeichnet werden. Wenn dagegen bestimmt wird, dass der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag (Schritt S14: Ja), stellt die Steuereinheit 80 die jeweiligen stöchiometrischen Verhältnisse des Brenngases und des Oxidationsgases auf die stöchiometrischen Verhältnisse für eine hohe Ausgangsleistung ein (Schritt S18). Zum Beispiel wird das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases auf 1,66 eingestellt, was gleich dem stöchiometrischen Verhältnis für eine niedrige Ausgangsleistung ist, und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wird auf 1,65 eingestellt, was größer ist als das stöchiometrische Verhältnis für eine niedrige Ausgangsleistung. Nachfolgend kann der Zustand, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle 10 größer ist als die vorbestimmte Temperatur und der Leistungserzeugungsbetrag größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag, als Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung bezeichnet werden. Die Steuereinheit 80 kann das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases steuern, indem es die Wasserstoffzufuhreinheit 45 steuert, um die Zufuhrmenge des Brenngases zu steuern, und sie kann das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases steuern, indem sie den Luftverdichter 32 steuert, um die Zufuhrmenge des Oxidationsgases zu steuern.
Dann bestimmt die Steuereinheit 80, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 10 weiterhin größer ist als die vorbestimmte Temperatur (Schritt S20). Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 weiterhin größer ist als die vorbestimmte Temperatur (Schritt S20: Ja), kehrt der Prozess zu Schritt S14 zurück. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur wird (Schritt S20: Nein), kehrt der Prozess zu Schritt S10 zurück.

Wie oben beschrieben wird bei der ersten Ausführungsform, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases größer gemacht als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung befindet. Hier wird in einem Fall, in dem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases so gesteuert wird, dass es, selbst wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, gleich dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist, als erstes Vergleichsbeispiel definiert. Das heißt, bei dem ersten Vergleichsbeispiel sind sowohl das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases als auch das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases das gleiche, ob im Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung oder im Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung. Tabelle 1 listet die Beispiele des stöchiometrischen Verhältnisses des Brenngases und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in der ersten Ausführungsform und dem ersten Vergleichsbeispiel auf. Tabelle 1

		Stöchiometrisches Verhältnis Brenngas	Stöchiometrisches Verhältnis Oxidationsgas
Erste Ausführungsform	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,66	1,65
Erstes Vergleichsbeispiel	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,66	1,3

6A stellt Vergleichsergebnisse von Zellspannungen der ersten Ausführungsform im Vergleich zu dem ersten Vergleichsbeispiel in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung dar, und 6B stellt Vergleichsergebnisse einer Verteilung der Stromdichte der ersten Ausführungsform im Vergleich zu dem ersten Vergleichsbeispiel in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung dar. Die 6A und 6B stellen Messergebnisse dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 100 °C beträgt, der Druck in der Umgebung des Anodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 und der Druck in der Umgebung des Kathodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 auf jeweils vorbestimmte Drücke festgelegt wurde, die Taupunkttemperatur des dem Brenngasdurchfluss 18 zugeführten Brenngases 45 °C beträgt und dem Oxidationsgasdurchfluss 19 ein nicht angefeuchtetes Oxidationsgas zugeführt wird. Die vertikale Achse in 6A steht für die Zellspannung, wenn die Stromdichte 3,2 A/cm² beträgt.
Wie in 6A dargestellt, wird die Leistungserzeugungsperformance in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung in der ersten Ausführungsform im Vergleich zu dem ersten Vergleichsbeispiel verbessert. Wie in 6B dargestellt, wird die Verteilung der Stromdichte in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung bei der ersten Ausführungsform im Vergleich zu derjenigen des ersten Vergleichsbeispiels verbessert. Wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, wie in 3B beschrieben, ist die Feuchtigkeit in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig und daher ist die Leistungserzeugungsperformance in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig. Bei der ersten Ausführungsform wird, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgas größer gemacht als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung befindet. Daher kann der Teildruck von Sauerstoff in dem Oxidationsgasdurchfluss 19, der dem Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 zugewandt ist, erhöht werden, die Menge an Wasser, die durch die Leistungserzeugung produziert wird, steigt, und dadurch kann die Menge an Wasser erhöht werden, die sich von der Kathode zu der Anoden in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 bewegt. Daher wird angenommen, dass ein Trocknen in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 reduziert wird, die Stromdichte in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18, wie in 6B dargestellt, verbessert wird, und folglich die Leistungserzeugungsperformance, wie in 6A dargestellt, verbessert wird.
Wie oben beschrieben steuert die Steuereinheit 80 bei der ersten Ausführungsform den Luftverdichter 32 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist (z. B. 1,65) als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung (z. B. 1,3). Diese Steuerung reduziert ein Trocknen des Elektrolytfilms 12 in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18, wie in den 6A und 6B beschrieben, und folglich wird die Leistungserzeugungsperformance verbessert. Wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, kann das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases kleiner gemacht werden als bei normaler Bedingung, um die Leistungserzeugungsperformance zu verbessern, wie in der internationalen Offenlegungsschrift Nr. WO 2014/017028 A1 beschrieben. Wenn allerdings das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases zu klein gemacht wird, kann der Brenngaszufuhrmangel in einem Teil der Brennstoffzelle 10 auftreten und der Katalysator der Brennstoffzelle kann verschleißen. Wenn dagegen das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wie bei der ersten Ausführungsform erhöht wird, kann die Leistungserzeugungsperformance ohne Bedenken hinsichtlich Verschlei-ßes des Katalysators verbessert werden.
Zudem steuert bei der ersten Ausführungsform die Steuereinheit 80 den Luftverdichter 32 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist (z. B. 1,65) als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung (z. B. 1,3) und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist (z. B. 1,5). Diese Steuerung verbessert die Leistungserzeugungsperformance wie in den 6A und 6B beschrieben.
Zweite Ausführungsform
Es wird eine Beschreibung der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Charakteristik) der Brennstoffzelle 10 bei hoher Temperatur der Brennstoffzelle 10 gegeben. 7 stellt Messergebnisse der Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U-Charakteristik) bei hoher Temperatur der Brennstoffzelle 10 dar. Die horizontale Achse in 7 steht für die Stromdichte (A/cm²) und die vertikale Achse stellt die Zellspannung (V) dar. 7 stellt Messergebnisse der I-U-Charakteristik von zwei Fällen dar, bei denen sich das stöchiometrische Verhältnis des dem Brenngasdurchfluss 18 zugeführten Brenngases und das stöchiometrische Verhältnis des dem Oxidationsgasdurchfluss 19 zugeführten Oxidationsgases unterscheiden. Der Fall in dem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases 1,4 beträgt, und der Fall, in dem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases 1,65 beträgt, sind in 7 durch eine Volllinien als Bedingung 1 gekennzeichnet. Der Fall in dem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases 1,66 beträgt, und der Fall, in dem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases 1,3 beträgt, sind in 7 durch eine Strichpunktlinie als Bedingung 2 gekennzeichnet. Die I-U-Charakteristik aus 7 wird unter den folgenden Bedingungen gemessen. Das heißt, die Bewertung wurde durchgeführt, indem die Temperatur der Brennstoffzelle 10 auf 100 °C eingestellt wurde und der Druck in der Umgebung des Anodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 und der Druck in der Umgebung des Kathodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 auf jeweilige vorbestimmte Drücke festgelegt wurden. Das Brenngas, das eine Taupunkttemperatur von 45 °C aufweist, wurde dem Brenngasdurchfluss 18 zugeführt, und ein nicht befeuchtetes Oxidationsgas wurde dem Oxidationsgasdurchfluss 19 zugeführt.
Wie in 7 dargestellt, ist die Zellspannung in einem Bereich mittlerer Ausgangsleistung, in dem die Stromdichte 1,0 A/cm² oder höher ist und 1,5 A/cm² oder niedriger ist, unter Bedingung 1 und Bedingung 2 ungefähr dieselbe. In einem Bereich niedrigerer Ausgangsleistung dagegen, in dem die Stromdichte geringer ist als 1,0 A/cm² ist die Zellspannung unter der Bedingung 2 höher als die Zellspannung unter der Bedingung 1. In einem Bereich hoher Ausgangsleistung, in dem die Stromdichte größer ist als 1,5 A/cm² ist die Zellspannung unter der Bedingung 1 höher als die Zellspannung unter der Bedingung 2.
Als Grund, warum die Leistungserzeugungsperformance verbessert wird, indem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases erhöht wird und indem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases reduziert wird, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist, wird Folgendes angenommen bzw. betrachtet. Wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung befindet, ist nämlich die Feuchtigkeit in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18, wie in 3A dargestellt, niedrig, und folglich ist die Leistungserzeugungsperformance in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig. Indem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases erhöht wird, wird in diesem Fall die Menge an Wasser, die durch das Brenngas zu dem Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18 geliefert wird, erhöht, und ein Trocknen in der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 wird reduziert. Indem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases reduziert wird, wird zudem trockene Luft daran gehindert, übermäßig zugeführt zu werden, und ein Trocknen der Umgebung des Auslasses 21 des Brenngasdurchflusses 18 wird reduziert. Dies wird als der Grund betrachtet, warum die Leistungserzeugungsperformance verbessert wird.
Dagegen wird Folgendes als der Grund betrachtet, warum die Leistungserzeugungsperformance verbessert wird, indem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird, wenn die Ausgangsleistung hoch ist. Das heißt, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, ist die Feuchtigkeit in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18, wie in 3B dargestellt, niedrig, und folglich ist die Leistungserzeugungsperformance in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 niedrig. Indem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird, wird in diesem Fall ein Brenngas mit niedriger Feuchtigkeit daran gehindert, übermäßig zugeführt zu werden, und ein Trocknen der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 wird reduziert. Da der Teildruck des Sauerstoffes in dem Oxidationsgasdurchfluss 19, der dem Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 zugewandt ist, erhöht wird, indem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird, wird zudem die Wassermenge erhöht, die durch die Leistungserzeugung produziert wird, die Wassermenge, die sich von der Kathode zu der Anode in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 bewegt, wird erhöht, und dadurch wird ein Trocknen der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 reduziert. Dies wird als der Grund betrachtet, warum die Leistungserzeugungsperformance verbessert wird. Obwohl 7 die Versuchsergebnisse darstellt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 100 °C beträgt, wie in 5 beschrieben, trocknet der Elektrolytfilm 12 tendenziell, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 70 °C überschreitet, und die Leistungserzeugungsperformance sinkt. Daher kann man sagen, dass das gleiche Ergebnis wie jenes in 7 erhalten wird, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 70 °C überschreitet.
Basierend auf diesen Fakten wird nun eine zweite Ausführungsform beschrieben, die ein Trocknen der Brennstoffzelle 10 reduziert und die Leistungserzeugungsperformance verbessert. Die Struktur des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der ersten Ausführungsform, und daher wird auf die Beschreibung derselben verzichtet. Zudem ist der Prozess zur Reduzierung von Trockenheit in der zweiten Ausführungsform der gleiche wie derjenige der ersten Ausführungsform, außer Schritt S18 in 4, und daher wird Schritt S18 beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform stellt die Steuereinheit 80 in Schritt S18 in 4 als stöchiometrische Verhältnisse für eine hohe Ausgangsleistung das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases auf das stöchiometrische Verhältnis (z. B. 1,4) ein, das kleiner ist als das stöchiometrische Verhältnis für niedrige Ausgangsleistung (z. B. 1,66), und sie stellt das stöchiometrische Verhältnis für das Oxidationsgas auf das stöchiometrische Verhältnis ein (z. B. 1,65), das größer ist als das stöchiometrische Verhältnis für niedrige Ausgangsleistung (z. B. 1,3).

Wie oben beschrieben wird bei der zweiten Ausführungsform, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases kleiner gemacht als das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist, und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases wird größer gemacht als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist. Hier wird ein Beispiel, in dem, selbst wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases denjenigen im Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung gleichgesetzt wird, als erstes Vergleichsbeispiel definiert. Beispiele, in denen, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung befindet, das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases kleiner gemacht wird als das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung befindet, und in denen das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases dem stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases gleichgesetzt wird, wenn sich die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung befindet, werden zudem als erstes Referenzbeispiel und zweites Referenzbeispiel definiert. Tabelle 2 listet die Beispiele des stöchiometrischen Verhältnisses des Brenngases und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführungsform, dem ersten Vergleichsbeispiel, dem ersten Referenzbeispiel und dem zweiten Referenzbeispiel. Tabelle 2

		Stöchiometrisches Verhältnis Brenngas	Stöchiometrisches Verhältnis Oxidationsgas
Erste Ausführungsform	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
Erste Ausführungsform	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,66	1,65
Zweite Ausführungsform	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
Zweite Ausführungsform	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,4	1,65
Erstes Vergleichsbeispiel	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
Erstes Vergleichsbeispiel	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,66	1,3
Erstes Referenzbeispiel	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
Erstes Referenzbeispiel	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,2	1,3
Zweites Referenzbeispiel	Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung	1,66	1,3
Zweites Referenzbeispiel	Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung	1,4	1,3

8A stellt Vergleichsergebnisse von Zellspannungen in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführungsform, des ersten Vergleichsbeispiels, des ersten Referenzbeispiels und des zweiten Referenzbeispiels dar, und 8B stellt Vergleichsergebnisse einer Stromdichteverteilung in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung der zweiten Ausführungsform, des ersten Vergleichsbeispiels, des ersten Referenzbeispiels und des zweiten Referenzbeispiels dar. Die 8A und 8B stellen Messergebnisse dar, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 100 °C beträgt, der Druck in der Umgebung des Anodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 und der Druck in der Umgebung des Kathodeneinlasses der Brennstoffzelle 10 auf jeweils vorbestimmte Drücke festgelegt wurden, die Taupunkttemperatur des dem Brenngasdurchfluss 18 zugeführten Brenngases 45 °C beträgt und dem Oxidationsgasdurchfluss 19 ein nicht angefeuchtetes Oxidationsgas zugeführt wird. Die vertikale Achse in 8A steht für die Zellspannung, wenn die Stromdichte 3,2 A/cm² beträgt.
Wie in 8A dargestellt, verbessert die zweite Ausführungsform stark die Leistungserzeugungsperformance im Vergleich zum ersten Vergleichsbeispiel, dem ersten Referenzbeispiel und dem zweiten Referenzbeispiel. Bei der zweiten Ausführungsform wird der Grad der Verbesserung der Zellspannung erhalten, der größer gleich der Summe des Grads der Verbesserung der Zellspannung in der ersten Ausführungsform ist, welcher nur das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht, ohne das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases zu verändern, und des Grads der Verbesserung der Zellspannung in dem ersten oder zweiten Referenzbeispiel ist, welcher nur das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert, ohne das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases zu verändern. Wie in 8B dargestellt, wird bei der zweiten Ausführungsform die Stromdichteverteilung von dem Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18 an den Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18 im Vergleich zu derjenigen des ersten Vergleichsbeispiels, des ersten Referenzbeispiels und des zweiten Referenzbeispiels verbessert. In 8B ist die Stromdichteverteilung beim ersten Vergleichsbeispiel, dem ersten Referenzbeispiel und dem zweiten Referenzbeispiel ungefähr dieselbe und wird daher der Klarheit halber durch eine Strichlinie gekennzeichnet. Wie in 7 beschrieben, wird in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung das Brenngas mit niedriger Feuchtigkeit daran gehindert, übermäßig zugeführt zu werden, indem das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird, und die Wassermenge, die sich von der Kathode zu der Anode in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 bewegt, wird erhöht, indem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird. Dementsprechend wird ein Trocknen der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 reduziert. Es wird angenommen, dass bei der zweiten Ausführungsform, da in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird, ein Trocknen in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 reduziert, die Stromdichte in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18 wird, wie in 8B dargestellt, verbessert, und die Leistungserzeugungsperformance wird, wie in 8A dargestellt, verbessert.
Wie oben beschrieben steuert bei der zweiten Ausführungsform die Steuereinheit 80 den Luftverdichter 32 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung, und sie steuert die Wasserstoffzufuhreinheit 45 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung kleiner ist als das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung. Diese Steuerung reduziert ein Trocknen des Elektrolytfilms 12 in der Umgebung des Einlasses 20 des Brenngasdurchflusses 18, wodurch die Stromdichte, wie in den 8A und 8B beschrieben, verbessert wird. Folglich wird die Leistungserzeugungsperformance verbessert. Indem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung erhöht wird und das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung reduziert wird, wird, wie bei der zweiten Ausführungsform, eine starke Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance erhalten, wie in 8A dargestellt, welche größer gleich einer Summe des Grads der Verbesserung der Leistungserzeugungsperformance ist, wenn nur das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird, wie bei der ersten Ausführungsform, und der verbesserten Menge der Leistungserzeugungsperformance, wenn nur das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird, wie bei dem ersten oder zweiten Referenzbeispiel.
Zudem steuert bei der zweiten Ausführungsform die Steuereinheit 80 den Luftverdichter 32 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist (z. B. 1,65) als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung (z. B. 1,3) und das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist (z. B. 1,5). Zudem steuert die Steuereinheit 80 die Wasserstoffzufuhreinheit 45 so, dass das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung, einen Wert zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung (z. B. 1,66) und dem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases beträgt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist (z. B. 1,25). Diese Steuerungen verbessern die Leistungserzeugungsperformance, wie in den 8A und 8B dargestellt, stark.
Die erste und zweite Ausführungsform beschreiben einen Fall, in dem die Stromdichte der Brennstoffzelle 10 größer ist als 1,0 A/cm² als Beispiel des Falls, in dem der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag, aber dies soll keine Einschränkung suggerieren. Wie in 7 dargestellt, wird, wenn die Stromdichte 1,0 A/cm² oder mehr beträgt, die Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 1, bei der das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird und das stöchiometrische Verhältnis des Brenngaseses reduziert wird, größer gleich der Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 2. Daher kann der Fall, in dem die Stromdichte der Brennstoffzelle 10 größer ist als eine vorbestimmte Stromdichte von 1,0 A/cm² oder mehr, als der Fall betrachtet werden, in dem der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag. Wie in 7 dargestellt, kann zudem die vorbestimmte Stromdichte 1,2 A/cm² betragen, sie kann 1,5 A/cm² betragen, oder sie kann 2,0 A/cm² betragen, da die Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 1 größer gleich der Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 2 ist, wenn die Stromdichte größer gleich 1,0 A/cm² ist.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform kann die Bestimmung, ob der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag getroffen werden, indem der Ausgangsstrom, die Spannung oder die Leistung der Brennstoffzelle 10 anstelle der Stromdichte der Brennstoffzelle 10 verwendet werden. Zum Beispiel ist die Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 1, bei der das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases erhöht wird und das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases reduziert wird, größer gleich der Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 2, wie in 7 dargestellt, wenn die Spannung der Brennstoffzelle 10 0,75 V oder weniger beträgt. Daher kann der Fall, in dem die Spannung der Brennstoffzelle 10 niedriger ist als eine vorbestimmte Spannung von 0,75 V oder weniger, als der Fall betrachtet werden, in dem der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag. Zudem ist die Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 1 größer gleich der Leistungserzeugungsperformance unter der Bedingung 2, wie in 7 dargestellt, wenn die Spannung 0,75 V oder weniger beträgt. Daher kann die vorbestimmte Spannung 0,70 V, 0,65 V oder 0,60 V betragen.
Bei der ersten und der zweiten Ausführungsform kann die Bestimmung, ob der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag, oder kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag, getroffen werden, indem von Stromdichte, Ausgangsstrom, Spannung und/oder Leistung der Brennstoffzelle 10 mindestens zwei Angaben verwendet werden. Diese Konfiguration verhindert, dass bei der Bestimmung, ob der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 größer ist als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag oder kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist, ein Fehler unterläuft, selbst wenn der Stromsensor 1 oder der Spannungssensor 2 versagt.
9A ist eine Draufsicht einer Einheitszelle entsprechend einer ersten Abwandlung von der Anodenseparatorseite aus gesehen und 9B ist eine Draufsicht einer Einzelzelle entsprechend einer zweiten Abwandlung von der Anodenseparatorseite aus gesehen. Wie in 9A dargestellt, wird bei der Einheitszelle der ersten Abwandlung ein Anodeneinlass ala, ein Kathodenauslass c2a und ein Kühlmitteleinlass w1a nebeneinander in der kurzen Richtung auf einer ersten Seite der kurzen Seiten eines Anodenseparators 17aa mit einer im Wesentlichen rechtwinkligen Form ausgebildet. Ein Kühlmittelauslass w2a, ein Kathodeneinlass c1a und ein Anodenauslass a2a sind nebeneinander in der kurzen Richtung auf einer zweiten Seite der kurzen Seiten des Anodenseparators 17aa ausgebildet. Auf die Darstellung wird verzichtet, allerdings hat der Kathodenseparator der Einheitszelle der ersten Abwandlung ebenfalls eine im Wesentlichen rechtwinklige Form wie der Anodenseparator 17aa und weist den Anodeneinlass ala, den Anodenauslass a2a, den Kathodeneinlass c1a, den Kathodenauslass c2a, den Kühlmitteleinlass w1a und den Kühlmittelauslass w2a auf, die darin ausgebildet sind. Die Positionen des Kühlmitteleinlasses w1a und des Kühlmittelauslasses w2a sind nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann der Kühlmitteleinlass w1a und der Kühlmittelauslass w2a auf entgegengesetzte Art und Weise zu jenen in 9A angeordnet sein, und die Richtung, in die das Kühlmittel fließt, kann der Richtung aus 9A entgegensetzt sein.
Der Anodeneinlass a1a liegt neben dem Kathodenauslass c2a, und der Anodenauslass a2a liegt neben dem Kathodeneinlass c1a. Das heißt, der Anodeneinlass a1a befindet sich näher an dem Kathodenauslass c2a als an dem Kathodeneinlass c1a und der Anodenauslass a2a befindet sich näher an dem Kathodeneinlass c1a als an dem Kathodenauslass c2a. Ein Oxidationsgasdurchfluss 19a ist in dem Kathodenseparator der Einheitszelle gemäß der ersten Abwandlung ausgebildet, welcher das Oxidationsgas von dem Kathodeneinlass c1a zu dem Kathodenauslass c2a leitet. Der Oxidationsgasdurchfluss 19a ist ein Serpentinendurchfluss wie der Brenngasdurchfluss 18a. Der Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18a befindet sich näher an dem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19a als an dem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19a, und der Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18a befindet sich näher an dem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19a als an dem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19a. In 9A ist die Richtung, in die das Brenngas fließt, durch Pfeile mit Volllinien gekennzeichnet, und die Richtung, in die das Oxidationsgas fließt, wird durch Pfeile mit Strichlinien angegeben. Wie oben beschrieben fließen auch in der Einheitszelle der ersten Abwandlung das Brenngas und das Oxidationsgas im Wesentlichen entgegengesetzt.
Wie in 9B gezeigt, sind in der Einheitszelle der zweiten Abwandlung ein Anodeneinlass a1b, ein Kühlmitteleinlass w1b und ein Kathodenauslass c2b nebeneinander in der kurzen Richtung auf einer ersten Seite der kurzen Seiten eines Anodenseparators 17ab ausgebildet, der eine im Wesentlichen rechtwinklige Form aufweist. Ein Kathodeneinlass c1b, ein Kühlmittelauslass w2b und ein Anodenauslass a2b sind nebeneinander in der kurzen Richtung auf einer zweiten Seite der kurzen Seiten des Anodenseparators 17ab ausgebildet. Auf die Darstellung wird verzichtet, allerdings hat der Kathodenseparator der Einheitszelle der zweiten Abwandlung ebenfalls eine im Wesentlichen rechtwinklige Form wie der Anodenseparator 17ab und weist den Anodeneinlass a1b, den Anodenauslass a2b, den Kathodeneinlass c1b, den Kathodenauslass c2b, den Kühlmitteleinlass w1b und den Kühlmittelauslass w2b auf, die darin ausgebildet sind.
Der Anodeneinlass a1b liegt über den Kühlmitteleinlass w1b neben dem Kathodenauslass c2b, und der Anodenauslass a2b liegt über den Kühlmittelauslass w2b neben dem Kathodeneinlass clb. Das heißt, der Anodeneinlass a1b befindet sich näher an dem Kathodenauslass c2b als an dem Kathodeneinlass c1b, und der Anodenauslass a2b befindet sich näher an dem Kathodeneinlass c1b als an dem Kathodenauslass c2b. Die Positionen des Kühlmitteleinlasses w1b und des Kühlmittelauslasses w2b sind nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel sind der Kühlmitteleinlass w1b und der Kühlmittelauslass w2b auf eine zu derjenigen in 9B entgegengesetzte Art und Weise angeordnet, und die Richtung, in die das Kühlmittel fließt, kann der Richtung aus 9B entgegengesetzt sein.
Ein Brenngasdurchfluss 18b leitet das Brenngas von dem Anodeneinlass a1b zu dem Anodenauslass a2b und weist, in dieser Reihenfolge, ein Verteilerteil 24a auf, parallele Teile 24b und ein Sammelteil 24c von der Stromaufwärtsseite. Das Verteilerteil 24a erstreckt sich so, dass es sich von dem Anodeneinlass a1b zu dem parallelen Teil 24b weitet. Die parallelen Teile 24b erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der langen Richtung des Anodenseparators 17ab. Das Sammelteil 24c erstreckt sich so, dass es sich von dem parallelen Teil 24b zu dem Anodenauslass a2b verjüngt. Ein Oxidationsgasdurchfluss 19b ist in dem Kathodenseparator der Einheitszelle gemäß der zweiten Abwandlung ausgebildet, welcher das Oxidationsgas von dem Kathodeneinlass c1b zu dem Kathodenauslass c2b leitet. Der Oxidationsgasdurchfluss 19b weist ein Verteilerteil 25a auf, das sich so erstreckt, dass es sich von dem Kathodeneinlass c1b zu dem Zentralteil weitet, parallele Teile 25b, die sich im Wesentlichen parallel zu der langen Richtung in dem Zentralteil erstrecken, und ein Sammelteil 25c, das sich so erstreckt, dass es sich von dem Zentralteil zu dem Kathodenauslass c2b verjüngt, wie bei dem Brenngasdurchfluss 18b.
Der Einlass 20 des Brenngasdurchflusses 18b befindet sich näher an dem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19b als an dem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19b, und der Auslass 21 des Brenngasdurchflusses 18b befindet sich näher an dem Einlass 22 des Oxidationsgasdurchflusses 19b als an dem Auslass 23 des Oxidationsgasdurchflusses 19b. In 9B ist die Richtung, in die das Brenngas fließt, durch Pfeile mit Volllinien gekennzeichnet, und die Richtung, in die das Oxidationsgas fließt, ist durch Pfeile mit Strichlinien gekennzeichnet. Wie oben beschrieben fließen auch in der Einheitszelle der zweiten Abwandlung das Brenngas und das Oxidationsgas im Wesentlichen entgegengesetzt.
Wie bei dem in 2B dargestellten Fall, befindet sich sowohl bei der ersten als auch der zweiten Abwandlung der Einlass des Brenngasdurchflusses näher an dem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses als an dem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses, der Auslass des Brenngasdurchflusses befindet sich näher an dem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses als an dem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses, und das Brenngas und das Oxidationsgas fließen im Wesentlichen entgegengesetzt. Daher wird selbst bei den Strukturen der ersten und zweiten Abwandlung, wie bei der ersten Ausführungsform, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung ist, die Leistungserzeugungsperformance verbessert, indem der Luftverdichter 32 so gesteuert wird, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist. Zudem wird selbst bei den Strukturen der ersten und zweiten Abwandlung, wie bei der zweiten Ausführungsform, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung ist, die Leistungserzeugungsperformance verbessert, indem der Luftverdichter 32 so gesteuert wird, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist, und indem die Wasserstoffzufuhreinheit 45 so gesteuert wird, dass das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases kleiner ist als das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases, wenn die Brennstoffzelle 10 in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ist.
Die erste und zweite Ausführungsform beschreiben einen Fall, in dem die Steuereinheit 80 basierend auf dem Stromsensor 1 und/oder dem Spannungssensor 2 den Leistungsbetrag, der tatsächlich von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, als Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 erhält, aber dies soll keine Einschränkung suggerieren. Die Steuereinheit 80 kann zum Beispiel den Leistungserzeugungsbetrag als Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 basierend auf dem von der Brennstoffzelle 10 geforderten Ausgangswert erhalten, welcher basierend auf dem Gaspedalsensor 92 berechnet wird.
Obwohl manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie beansprucht abgewandelt oder abgeändert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (100) aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), umfassend einen Brenngasdurchfluss (18, 18a, 18b), durch den ein Brenngas fließt, und einen Oxidationsgasdurchfluss (19, 19a, 19b), durch den ein Oxidationsgas fließt, wobei sich ein Einlass (20) des Brenngasdurchflusses näher an einem Auslass (23) des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an einem Einlass (22) des Oxidationsgasdurchflusses, sich ein Auslass (21) des Brenngasdurchflusses näher an dem Einlass des Oxidationsgasdurchflusses befindet als an dem Auslass des Oxidationsgasdurchflusses; eine Oxidationsgaszufuhreinheit (32), die das Oxidationsgas der Brennstoffzelle zuführt; und einen Zufuhrmengencontroller (80), der eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit zu steuern, um eine Zufuhrmenge des Oxidationsgases an die Brennstoffzelle zu steuern, wobei der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit (32) so zu steuern, dass ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases in einem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung, wobei der Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem eine Temperatur der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte Temperatur und ein Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle größer ist als ein vorbestimmter Leistungserzeugungsbetrag, wobei der Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung ein Zustand ist, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle höher ist, als die vorbestimmte Temperatur und der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle kleiner gleich dem vorbestimmten Leistungserzeugungsbetrag ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das ferner aufweist: eine Brenngaszufuhreinheit (45), die das Brenngas der Brennstoffzelle zuführt, wobei der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Brenngaszufuhreinheit (45) zu steuern, um eine Zufuhrmenge des Brenngases an die Brennstoffzelle zu steuern, und der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Brenngaszufuhreinheit (45) so zu steuern, dass ein stöchiometrisches Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung kleiner ist als ein stöchiometrisches Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit (32) so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Oxidationsgaszufuhreinheit (32) so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung größer ist als das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und ein stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist, und der Zufuhrmengencontroller (80) eingerichtet ist, die Brenngaszufuhreinheit (45) so zu steuern, dass das stöchiometrische Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, hoher Ausgangsleistung einen Wert zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases in dem Zustand hoher Temperatur, niedriger Ausgangsleistung und einem stöchiometrischen Verhältnis des Brenngases beträgt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle kleiner gleich der vorbestimmten Temperatur ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die vorbestimmte Temperatur 70 °C oder mehr beträgt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle als größer als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag betrachtet wird, wenn eine Stromdichte der Brennstoffzelle größer ist als eine vorbestimmte Stromdichte von 1,0 A/cm² oder mehr.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle als größer als der vorbestimmte Leistungserzeugungsbetrag betrachtet wird, wenn eine Spannung der Brennstoffzelle niedriger ist als eine vorbestimmte Spannung von 0,75 V oder weniger.