DE102021107805A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Zur Unterdrückung der Erzeugung von kondensiertem Wasser und zur Unterdrückung des Flusses des kondensierten Wassers in einen Brennstoffzellenstapel. Ein Brennstoffzellensystem umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, ein Ejektor-Set, eine Brennstoffgas-Quelle, welche Brennstoffgas dem Ejektor-Set zuführt, einen Zirkulationsströmungspfad, einen Zufuhrströmungspfad für gemischtes Gas, einen Temperatur-Detektor, welcher eine Temperatur des Brennstoffgases erfasst, eine Steuereinheit, wobei das Ejektor-Set mindestens zwei parallel geschaltete Ejektoren umfasst, welche erster Ejektor, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ein erstes gemischtes Gas zuführt, und ein zweiter Ejektor sind, welcher den Elektroden des Brennstoffzellenstapels ein zweites gemischtes Gas zuführt, wobei ein Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner als das erste gemischte Gas ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • STAND DER TECHNIK
  • Eine Brennstoffzelle ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche elektrische Energie mittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff (H2), welches als Brennstoffgas dient, und Sauerstoff (O2), welches als Oxidansgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (nachstehend einfach als „Stapel“ bezeichnet), bestehend aus gestapelten Einheiten von Brennstoffzellen, erzeugt. Nachstehend können Brennstoffgas und Oxidansgas kollektiv und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
  • Im Allgemeinen bestehen die Einheiten der Brennstoffzellen aus einer Membranelektrodeneinheit (MEA) und, bei Bedarf, aus zwei Separatoren, welche die Membranelektrodeneinheit sandwichartig umgeben.
  • Die Membranelektrodeneinheit weist eine derartige Struktur bzw. einen derartigen Aufbau auf, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran, welche Proton (H+) Leitfähigkeit (nachstehend einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) aufweisen, gebildet sind.
  • Im Allgemeinen weisen die Separatoren eine derartige Struktur auf, dass eine Nut bzw. Kerbe bzw. Rille als ein Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht ist, gebildet wird. Die Separatoren funktionieren als ein Sammler bzw. Kollektor der erzeugten Elektrizität.
  • In der Brennstoff-Elektrode (Anode) der Brennstoffzelle, wird der Wasserstoff, welcher von dem Strömungspfad und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff gelangt zur Oxidans-Elektrode (Kathode) durch die Elektrolytmembran. Ein Elektron wird zur selben Zeit erzeugt, und passiert bzw. durchwandert einen externen Stromkreis, verrichtet Arbeit, und gelangt anschließend zur Kathode. Der Sauerstoff, welcher der Kathode zugeführt wird, reagiert mit dem Proton und dem Elektron auf der Kathode, wodurch Wasser erzeugt wird.
  • Das erzeugte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit ausreichend Feuchtigkeit. Überschüssiges Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht, passiert den Strömungspfad und wird anschließend an die Umgebung des Systems abgegeben.
  • Es wird dine Technik bzw. ein Verfahren zum Unterdrücken der Zufuhr von Niedrigtemperatur-Brennstoffgas zu einer Brennstoffzelle und Beibehalten der Stromerzeugungsleistung bzw. Stromerzeugungsleistungsfähigkeit der Brennstoffzelle auf einem zufriedenstellenden Niveau untersucht.
  • Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, welches konfiguriert ist, ein Haupt-Stoppventil abzuschalten, auch für den Zweck des Schutzes des Behälters, wenn die Temperatur eines Tanks bzw. Behälters unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt.
  • Patentliteratur 2 offenbart ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems, welches konfiguriert ist, eine Fehlfunktion bzw. Störung eines Ventils in einem Injektor, welcher im Brennstoffgas-Zufuhrdurchlass des Brennstoffzellensystems versehen bzw. angeordnet ist, zur Zeit der niedrigen Temperatur, etc. zu vermeiden.
    • Patentliteratur 1: Veröffentlichte japanische Patentanmeldung (JP-A) Nr. 2012-156030
    • Patentliteratur 2: JP-A Nr. 2017-147135
  • Für das in der Patentliteratur 1 offenbarte Brennstoffzellensystem ist es schwierig, wenn der Grenzwert bzw. Schwellenwert der Tank- bzw. Behältertemperatur, welche verwendet wird, um das Haupt-Absperrventil zu schließen, niedrig ist, eine Erhöhung der Menge des kondensierten Wassers, welches am Auslass-Port des Ejektors bzw. Ausstoßers des Systems bei höheren Temperaturen als dem Grenzwert erzeugt wurde, zu verhindern.
  • Ein mögliches Verfahren zur Erhöhung der Temperatur des Brennstoffgases ist, dass die Brennstoffgas-Temperatur durch Wärmeübertragung zwischen dem Brennstoffgas und dem Kühlwasser als ein Wärmemedium, welches von dem Brennstoffzellenstapel des Systems ein und aus zirkuliert, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, erhöht wird. Dieses Verfahren weist jedoch das nachstehende Problem auf: die Brennstoffgas-Temperatur kann nicht ausreichend erhöht werden, wenn die Temperatur des Kühlwassers nicht ausreichend hoch ist.
  • Auch wenn der Brennstoffzellenstapel zum Beispiel unter einer Hochlast-Bedingung betrieben wird, um Hochdruck-Brennstoffgas schnell zu verbrauchen, wird das von der Brennstoffgas-Quelle des Systems, wie einem Brennstoffgas-Tank bzw. -Behälter, abgegebene bzw. ausgestoßene Brennstoffgas durch adiabatische Expansion gekühlt, und die Temperatur des Brennstoffgases wird deutlich verringert. Anschließend, wenn das Niedrigtemperatur-Brennstoffgas dem Ejektor und in den Ejektor zugeführt wird, vereinigt bzw. vermengt sich das zugeführte Brennstoffgas mit dem Zirkulationsgas, welches Feuchtigkeit vom Zirkulationsströmungspfad des Systems enthält. Folglich kann kondensiertes Wasser im Ejektor und am Auslass-Port des Ejektors, etc. erzeugt werden. Wenn das kondensierte Wasser in den Brennstoffzellenstapel gelangt bzw. eintritt, kann sich die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels verringern.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die offenbarten Ausführungsformen wurden im Lichte der vorstehenden Umstände erreicht. Ein Hauptziel der offenbarten Ausführungsformen ist, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches konfiguriert ist, die Erzeugung des kondensierten Wassers zu unterdrücken und den Fluss des kondensierten Wassers in den Brennstoffzellenstapel des Systems zu unterdrücken, selbst wenn die Temperatur des von der Brennstoffgas-Quelle des Systems zugeführten Brennstoffgases niedrig ist.
  • In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, umfassend:
    • einen Brennstoffzellenstapel,
    • ein Ejektor-Set,
    • eine Brennstoffgas-Quelle, welche dem Ejektor-Set Brennstoffgas zuführt,
    • einen Zirkulationsströmungspfad, welcher das vom Brennstoffzellenstapel abgegebene bzw. ausgestoßene Brennstoff-Abgas rückgewinnt und das Brennstoff-Abgas als Zirkulationsgas zum Ejektor-Set zurückführt,
    • ein Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases, welcher das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und die Zufuhr von gemischtem Gas, welches Brennstoffgas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht,
    • einen Temperatur-Detektor bzw. -Erfassungseinrichtung, welcher eine Temperatur des Brennstoffgases erfasst, und
    • eine Steuereinheit bzw. Steuerung,
    • wobei das Ejektor-Set mindestens zwei parallel geschaltete Ejektoren umfasst, welche ein erster Ejektor, welcher ein erstes gemischtes Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt, und ein zweiter Ejektor sind, welcher ein zweites gemischtes Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt, wobei ein Anteils- bzw. Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner ist als das erste gemischte Gas, und
    • wobei in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter einen vorbestimmten Grenzwert bzw. Schwellenwert fällt, die Steuereinheit ein Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als ein Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors macht, wenn ein gesamtes Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets zu bzw. als 100 % bestimmt wird.
  • In dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert bzw. Schwellenwert oder größer ist, kann die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors machen, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird.
  • In dem Fall, in welchem die vom Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert bzw. Schwellenwert fällt, kann die Steuereinheit vom ersten Ejektor auf den zweiten Ejektor umschalten und das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
  • In dem Fall, in welchem die vom Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert bzw. Schwellenwert oder größer ist, kann die Steuereinheit das erste gemischt Gas vom ersten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
  • Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann die Erzeugung des kondensierten Wassers unterdrücken und den Fluss des kondensierten Wassers in den Brennstoffzellenstapel des Systems unterdrücken. Dementsprechend kann das Brennstoffzellensystem eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels unterdrücken.
  • Figurenliste
  • In der beigefügten Zeichnung ist
    • 1 eine Ansicht eines Beispiels der Struktur bzw. des Aufbaus des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen, und
    • 2 ein Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend:
    • einen Brennstoffzellenstapel,
    • ein Ejektor-Set,
    • eine Brennstoffgas-Quelle, welche dem Ejektor-Set Brennstoffgas zuführt,
    • einen Zirkulationsströmungspfad, welcher vom Brennstoffzellenstapel abgegebenes bzw. ausgestoßenes Brennstoff-Abgas rückgewinnt und das Brennstoff-Abgas als Zirkulationsgas zum Ejektor-Set zurückführt,
    • ein Zufuhrströmungspfad für ein gemischtes Gas, welcher das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und die Zufuhr des gemischten Gases, welches das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht,
    • einen Temperatur-Detektor, welcher eine Temperatur des Brennstoffgases erfasst, und
    • eine Steuereinheit,
    • wobei der Ejektor-Set mindestens zwei parallel geschaltete Ejektoren umfasst, welche ein erster Ejektor, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas zuführt, und ein zweiter Ejektor sind, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas zuführt, wobei ein Anteils- bzw. Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner als das erste gemischte Gas ist, und
    • wobei, in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors macht, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist.
  • 1 ist eine Ansicht eines Beispiels des Aufbaus bzw. der Struktur des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen.
  • Ein in 1 gezeigtes Brennstoffzellensystem 100 umfasst das Nachstehende: einen Brennstoffzellenstapel 11; eine Brennstoffgas-Quelle 12; einen Zufuhrströmungspfad 13 für gemischtes Gas; einen Zirkulationsströmungspfad 14, welcher als Zirkulationsgas von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 11 abgegebenes Brennstoff-Abgas zirkuliert; einen Temperatur-Detektor 15, welcher die Temperatur des Brennstoffgases erfasst; ein Ejektor-Set 16, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels 11 gemischtes Gas des Brennstoffgases und des Zirkulationsgases zuführt; eine Steuereinheit 17; ein Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad 18; eine Oxidansgas-Quelle 21; einen Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad 22; und einen Oxidansgas-Auslassströmungspfad 23.
  • Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst mindestens den Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffgas-Quelle, den Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases, den Zirkulationsströmungspfad, den Temperatur-Detektor, das Ejektor-Set und die Steuereinheit. Im Allgemeinen umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad, eine Oxidansgas-Quelle, einen Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad, einen Oxidansgas-Auslassströmungspfad, eine Kühlwasser-Quelle, einen Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad, etc.
  • Der Brennstoffzellenstapel besteht aus gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten.
  • Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzellen-Einheiten ist nicht besonders beschränkt.
  • Zum Beispiel können 2 bis 200 Brennstoffzellen-Einheiten gestapelt werden.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte an beiden Enden der Stapelrichtung jeder Brennstoffzellen-Einheit umfassen.
  • Jede einzelne Brennstoffzelle bzw. jede Brennstoffzellen-Einheit umfasst mindestens eine Membranelektrodeneinheit, welche eine Oxidans-Elektrode, eine Elektrolytmembran und eine Brennstoff-Elektrode umfasst. Bei Bedarf kann sie zwei Separatoren, welche die Membranelektrodeneinheit sandwichartig umgeben, umfassen.
  • Die Separatoren können eine derartige Gas-Strömungspfadstruktur aufweisen, dass eine Nut bzw. Rille als ein Reaktionsgas-Strömungspfad auf einer Oberfläche, welche in Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht ist, gebildet ist. Auch die Separatoren können eine derartige Kühlwasser-Strömungspfadstruktur aufweisen, dass eine Nut auf einer der in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht befindlichen Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche als ein Kühlwasser-Strömungspfad gebildet ist, um die Stapel-Temperatur auf einem konstanten bzw. gleichbleibenden Niveau zu halten.
  • Die Separatoren können ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element, etc. sein. Als das elektrisch leitende bzw. leitfähige Element umfassen Beispiele, aber sind nicht darauf beschränkt, gasundurchlässigen dichten Kohlenstoff, welcher durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte, welche durch Druckformen erhalten wird. Die Separatoren können eine Funktion des Stromabnehmens bzw. Stromsammelns aufweisen.
  • Die Oxidans-Elektrode umfasst einen Oxidans-Elektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
  • Die Brennstoff-Elektrode umfasst eine Brennstoff-Elektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
  • Die Oxidans-Elektroden-Katalysatorschicht und die Brennstoff-Elektroden-Katalysatorschicht können zum Beispiel ein Katalysator-Metall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitfähigen Elektrolyten, oder elektronenleitfähige Kohlenstoffpartikel enthalten.
  • Als das Katalysator-Metall können zum Beispiel Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (wie eine Pt-Legierung gemischt mit Kobalt, Nickel oder ähnlichem) verwendet werden.
  • Der Elektrolyt kann ein Fluor-Harz oder ähnliches sein. Als das Fluor-Harz kann zum Beispiel eine Nafion-Lösung verwendet werden.
  • Das Katalysator-Metall ist auf Kohlenstoffpartikel geträgert. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, welche das Katalysator-Metall (d.h., KatalysatorPartikel) tragen, und der Elektrolyt gemischt sein.
  • Als die Kohlenstoffpartikel zum Trägern des Katalysator-Metalls (d.h., tragende Kohlenstoffpartikel) können zum Beispiel wasserabweisende Kohlenstoffpartikel, welche durch Verbesserung der wasserabweisenden Eigenschaft von handelsüblichen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoff- bzw. Rußpulver) durch Erwärmen erhalten werden, verwendet werden.
  • Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder ähnliches sein.
  • Als das elektrisch leitende Element umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie ein Kohlenstofftuch und ein Kohlepapier, und ein poröses Metallmaterial, wie ein Metallnetz und ein Metallschaum.
  • Die Elektrolytmembran kann eine Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran sein. Als die Feststoff-Polymer-Elektrolytmembran umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluor-Elektrolytmembran, wie eine Feuchtigkeit enthaltende, dünne Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Elektrolytmembran kann zum Beispiel eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
  • Die Brennstoffgas-Quelle führt dem Ejektor-Set Brennstoffgas zu.
  • Das Brennstoffgas ist ein Gas, welches hauptsächlich Wasserstoff enthält. Zum Beispiel kann es Wasserstoffgas sein.
  • Als die Brennstoffgas-Quelle umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, einen Brennstoff-Tank bzw. -Behälter, wie ein Tank für flüssigen Wasserstoff und ein Tank für komprimierten Wasserstoff.
  • Das Brennstoffzellensystem kann den Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad umfassen.
  • Der Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad verbindet die Brennstoffgas-Quelle mit dem Ejektor-Set und ermöglicht die Zufuhr des Brennstoffgases von der Brennstoffgas-Quelle zum Ejektor-Set. Der Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad ist nicht immer erforderlich, wenn die Brennstoffgas-Quelle und das Ejektor-Set nebeneinander angeordnet sind, und das Brennstoffgas dem Ejektor-Set direkt von der Brennstoffgas-Quelle zugeführt werden kann.
  • Der Zirkulationsströmungspfad ermöglicht es, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem Ejektor-Set verbunden ist, gewinnt das von den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoff-Abgas zurück, und führt das Brennstoff-Abgas als das Zirkulationsgas zum Ejektor-Set zurück.
  • Das Brennstoff-Abgas enthält hauptsächlich Brennstoffgas, welches ohne zu reagieren die Brennstoff-Elektrode durchströmte bzw. passierte, und Feuchtigkeit, welche an der Oxidans-Elektrode erzeugtes und zur Brennstoff-Elektrode übermitteltes Wasser ist.
  • Das Ejektor-Set führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das gemischte Gas zu, welches das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas enthält.
  • Das Ejektor-Set umfasst mindestens zwei parallel geschaltete Ejektoren, welche der erste Ejektor und der zweite Ejektor sind.
  • Der erste Ejektor führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas zu.
  • Der zweite Ejektor führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas zu, wobei das Anteils- bzw. Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner als das erste gemischte Gas ist.
  • Hinsichtlich der Erhöhung der Brennstoffgas-Effizienz und Unterdrückung einer Verringerung der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels kann das Ejektor-Set weitere Ejektoren, zusätzlich zu den ersten und zweiten Ejektoren, umfassen. Zum Beispiel kann das Ejektor-Set den ersten Ejektor, den zweiten Ejektor und einen dritten Ejektor parallel umfassen, wobei der dritte Ejektor dazu dient, den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ein drittes gemischtes Gas zuzuführen, wobei das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner als das zweite gemischte Gas ist.
  • Im ersten gemischten Gas kann das Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases zum Beispiel 2 bis 10 Mal größer sein als das zweite gemischte Gas, oder es kann 3 bis 4 Mal größer sein als das zweite gemischte Gas.
  • Die Ejektoren des Ejektor-Sets sind elektrisch mit der Steuereinheit verbunden. Die Verwendung der Ejektoren in Kombination oder die Verwendung einer der Ejektoren kann durch ein Signal von der Steuereinheit ermöglicht bzw. aktiviert werden.
  • Der Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases verbindet das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel und ermöglicht die Zufuhr des gemischten Gases, welches das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels.
  • Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoff-Abgas-Auslass umfassen.
  • Der Brennstoff-Abgas-Auslass ermöglicht das Abgeben bzw. Ablassen bzw. Auslassen des Brennstoff-Abgases nach außen, wobei die Konzentration des Brennstoffgases die vorbestimmte Konzentration oder weniger ist. Außen bedeutet die Umgebung des Brennstoffzellensystems.
  • Der Brennstoff-Abgas-Auslass kann ein Brennstoff-Abgas-Auslassventil umfassen. Bei Bedarf kann es ferner einen Brennstoff-Abgas-Auslassströmungspfad umfassen.
  • Das Brennstoff-Abgas-Auslassventil steuert die Brennstoff-Abgas-Auslassströmungsmenge.
  • Der Brennstoff-Abgas-Auslassströmungspfad kann vom Zirkulationsströmungspfad abzweigen bzw. verzweigen.
  • Der Brennstoff-Abgas-Auslass kann das Abgeben bzw. Ablassen bzw. Auslassen des Brennstoff-Abgases nach außen bzw. an die Umgebung ermöglichen, wenn zum Beispiel die Konzentration des Brennstoffgases, wie Wasserstoff, im Brennstoff-Abgas die vorbestimmten Konzentration oder weniger ist. Die vorbestimmte Konzentration des Brennstoffgases ist nicht besonders beschränkt und kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der Brennstoff-Effizienz des Brennstoffzellensystems geeignet bzw. angemessen bestimmt werden.
  • Das Verfahren zum Erfassen der Konzentration des Brennstoffgases im Brennstoff-Abgas ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann ein allgemein bekannter Konzentrationssensor verwendet werden.
  • Ein Gas-Flüssig-Separator zum Verringern der Feuchtigkeit im Brennstoff-Abgas kann im Zirkulationsströmungspfad installiert bzw. angeordnet sein. Ebenso kann ein Abflussströmungspfad, welcher vom Zirkulationsströmungspfad durch den Gas-Flüssig-Separator abzweigt, im Zirkulationsströmungspfad angeordnet sein, und ein Abflussventil kann im Abflussströmungspfad angeordnet sein.
  • Die vom Brennstoff-Abgas im Gas-Flüssig-Separator abgetrennte Feuchtigkeit kann durch Öffnen des Abflussventils des Abflussströmungspfades, welcher vom Zirkulationsströmungspfad abzweigt, abgelassen bzw. abgegeben werden.
  • Das der Feuchtigkeitstrennung unterzogene Brennstoff-Abgas kann vom Zirkulationsströmungspfad durch den Ejektor angesaugt werden, während es in dem Zustand ist, welcher eine geringe Menge verbleibenden Nebel enthält.
  • Der Temperatur-Detektor erfasst die Temperatur des Brennstoffgases, welches von der Brennstoffgas-Quelle freigesetzt bzw. abgegeben wird.
  • Als der Temperatur-Detektor umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, einen Temperatursensor.
  • Der Temperatur-Detektor kann zum Beispiel ein in einen Brennstoff-Tank eingebauter Temperatursensor sein, welcher als die Brennstoffgas-Quelle dient.
  • Die Oxidansgas-Quelle führt mindestens den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels Oxidansgas zu.
  • Als die Oxidansgas-Quelle kann zum Beispiel ein Luft-Kompressor verwendet werden.
  • Der Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad ermöglicht, dass er die Oxidansgas-Quelle mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und führt den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels Oxidansgas von der Oxidansgas-Quelle zu.
  • Das Oxidansgas ist ein Sauerstoff-enthaltendes Gas. Es kann Luft, trockene Luft, reiner Sauerstoff oder ähnliches sein.
  • Der Oxidansgas-Auslass-Strömungspfad ermöglicht das Abgeben des Oxidansgases von den Oxidans-Elektroden des Brennstoffzellenstapels.
  • Das Brennstoffzellensystem kann eine Kühlwasser-Quelle und einen Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad umfassen.
  • Der Kühlwasser-Zirkulationsströmungspfad ermöglicht, dass er zwischen dem Kühlwasser-Einlass-Port-Verbindungsloch und dem Kühlwasser-Auslass-Port-Verbindungsloch, welche im Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, verbindet, zirkuliert das von der Kühlwasser-Quelle zugeführte Kühlwasser von dem Brennstoffzellenstapel ein und aus, und kühlt den Brennstoffzellenstapel.
  • Als die Kühlwasser-Quelle umfassen Beispiele, sind aber nicht darauf beschränkt, eine Kühlwasser-Pumpe.
  • Die Steuereinheit steuert das Brennstoffzellensystem.
  • Die Steuereinheit kann mit dem Temperatur-Detektor, dem Ejektor-Set, der Brennstoffgas-Quelle, der Oxidansgas-Quelle und so weiter durch eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle verbunden sein.
  • Die Steuereinheit macht eine Bewertung, ob die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den ersten Grenzwert fällt oder nicht. Ebenso steuert die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets, etc.
  • Die Steuereinheit umfasst physisch zum Beispiel eine Prozesseinheit, wie eine zentrale Recheneinheit bzw. einen Zentralprozessor („central processing unit“, CPU), ein Speichergerät, wie einen Nur-Lese-Speicher bzw. Festspeicher („read-only memory“,ROM) und einen Schreib-Lese-Speicher bzw. Arbeitsspeicher („random access memory“,RAM), und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle. Die ROM wird verwendet, um ein Speicherprogramm, Speicherdaten, und so weiter zu speichern, welche von der CPU verarbeitet wurden, und die RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsbereiche für die Steuerungsprozesse verwendet.
  • Erfassung der Brennstoffgas-Temperatur
  • Der Temperatur-Detektor erfasst die Temperatur des von der Brennstoffgas-Quelle zugeführten Brennstoffgases zu vorbestimmten Zeitpunkten.
  • Das Verfahren zur Erfassung der Brennstoffgas-Temperatur ist nicht besonders beschränkt. Zum Beispiel kann die Brennstoffgas-Temperatur durch Installieren eines allgemein bekannten Temperatur-Sensors im Brennstoffzellensystem und Verwenden des Temperatur-Sensors erfasst werden.
  • Als der Temperatur-Sensor kann zum Beispiel ein eingebauter Temperatur-Sensor des Brennstoff-Tanks verwendet werden.
  • Der Zeitpunkt zur Erfassung der Brennstoffgas-Temperatur ist nicht besonders beschränkt. Die Brennstoffgas-Temperatur kann jedes Mal erfasst werden, wenn eine vorbestimmte Zeit verstreicht bzw. abläuft, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wurde; sie kann erfasst werden, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wird; oder sie kann durchgehend erfasst werden. Der Erfassungszeitpunkt kann geeignet bzw. passend bestimmt werden.
  • Bewertung, ob die Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt oder nicht
  • Die Steuereinheit bewertet, ob die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt oder nicht.
  • Der Grenzwert der Brennstoffgas-Temperatur kann zum Beispiel wie folgt geeignet bzw. passend bestimmt werden: eine Datengruppe bzw. Gruppe von Daten, welche einen Zusammenhang zwischen der Brennstoffgas-Temperatur und der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels zeigt, welche zuvor durch ein Experiment, etc. vorbereitet werden, und der Grenzwert der Brennstoffgas-Temperatur wird durch die von der Datengruppe erhaltenen Leistung bzw. Leistungsfähigkeit etc. des Brennstoffzellenstapels geeignet bestimmt.
  • Steuerung des Anwendungsverhältnisses der Ejektoren
  • Das Verfahren zur Steuerung des Anwendungsverhältnisses der Ejektoren ist nicht besonders beschränkt. Das Anwendungsverhältnis kann durch elektrisches Verbinden der Steuereinheit mit den Ejektoren und durch Übermitteln eines Signals von der Steuereinheit an die Ejektoren gesteuert werden.
  • Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren kann zum Beispiel wie folgt geeignet bestimmt werden: eine Datengruppe zeigt einen Zusammenhang zwischen der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels und des Anwendungsverhältnisses der Ejektoren, welche zuvor durch ein Experiment, etc. vorbereitet wird, und das Anwendungsverhältnis der Ejektoren wird geeignet aus der Datengruppe bestimmt.
  • Der Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt
  • In dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt, macht die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist, und anschließend beendet die Steuereinheit die Steuerung. Dementsprechend kann, selbst wenn die Temperatur des von der Brennstoffgas-Quelle freigesetzten bzw. abgegebenen Brennstoffgases gering bzw. niedrig ist, der Anteil des Feuchtigkeit enthaltenden Zirkulationsgases, welches im gemischten Gas, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, enthalten ist, verringert werden. Dementsprechend kann zum Beispiel die Erzeugung des kondensierten Wassers am Auslass-Port des Ejektor-Sets unterdrückt werden. Anschließend kann die Menge des kondensierten Wassers, welches in den Brennstoffzellenstapel strömt bzw. fließt, verringert werden, und eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels kann unterdrückt werden.
  • Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets in dem Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur unter den bestimmten Grenzwert fällt, ist nicht besonders beschränkt, so lange das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer ist als das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren als 100 % bestimmt ist. Hinsichtlich der weiteren Unterdrückung einer Verringerung der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels kann das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors 100 % sein. Mit anderen Worten, in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt, kann die Steuereinheit vom ersten Ejektor zum bzw. auf den zweiten Ejektor umschalten und das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
  • Der Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder höher ist
  • Andererseits, in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, macht die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt ist, und anschließend beendet die Steuereinheit die Steuerung. Zum Zeitpunkt des Beginns des Betriebes des Brennstoffzellenstapels und während des normalen Betriebes des Brennstoffzellenstapels, hinsichtlich der Erhöhung der Brennstoff-Effizienz, macht die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird. Dementsprechend kann in einem Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, und in einem Fall, in welchem das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors ist, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird, beendet die Steuereinheit die Steuerung.
  • In dem Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, selbst wenn das Feuchtigkeit enthaltende Zirkulationsgas, welches im gemischten Gas enthalten ist, welches den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, erhöht wird, wird kondensiertes Wasser weniger wahrscheinlich in den Brennstoffzellenstapel fließen. Dementsprechend wird die Zirkulationseffizienz des Zirkulationsgases erhöht, und die Brennstoff-Effizienz wird erhöht.
  • Das Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets ist, in dem Fall, in welchem die Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, nicht besonders beschränkt, so lange das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors ist, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren als 100 % bestimmt wird. Hinsichtlich der weiteren Erhöhung der Brennstoff-Effizienz des Brennstoffzellenstapels kann das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors 100 % sein. Mit anderen Worten, in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, kann die Steuereinheit vom zweiten Ejektor zu dem bzw. auf den ersten Ejektor umschalten und das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels zuführen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß der offenbarten Ausführungsformen. Die offenbarten Ausführungsformen sind nicht auf dieses typische Beispiel beschränkt.
  • In dem in 2 gezeigten Steuerungsverfahren führt die Steuereinheit zuerst zum Startzeitpunkt des Betriebes des Brennstoffzellenstapels, oder während des normalen Betriebes des Brennstoffzellenstapels, das erste gemischte Gas den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des ersten Ejektors zu.
  • Als nächstes erfasst der Temperatur-Detektor die Brennstoffgas-Temperatur.
  • Anschließend beendet, in dem Fall, in welchem die erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder mehr ist, die Steuereinheit die Steuerung.
  • Andererseits schaltet, in dem Fall, in welchem die erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den Grenzwert fällt, die Steuereinheit vom ersten Ejektor zum zweiten Ejektor um und führt den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas zu. Anschließend beendet die Steuereinheit die Steuerung.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Brennstoffzellenstapel
    12
    Brennstoffgas-Quelle
    13
    Zufuhrströmungspfad des gemischten Gases
    14
    Zirkulationsströmungspfad
    15
    Temperatur-Detektor
    16
    Ejektor-Set
    17
    Steuereinheit
    18
    Brennstoffgas-Zufuhrströmungspfad
    21
    Oxidansgas-Quelle
    22
    Oxidansgas-Zufuhrströmungspfad
    23
    Oxidansgas-Auslassströmungspfad
    100
    Brennstoffzellensystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2012156030 [0010]
    • JP 2017147135 [0010]

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, ein Ejektor-Set, eine Brennstoffgas-Quelle, welche dem Ejektor-Set Brennstoffgas zuführt, einen Zirkulationsströmungspfad, welcher vom Brennstoffzellenstapel abgegebenes Brennstoff-Abgas rückgewinnt und das Brennstoff-Abgas als Zirkulationsgas zum Ejektor-Set rückführt, einen Zufuhrströmungspfad eines gemischten Gases, welcher das Ejektor-Set mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet und die Zufuhr von gemischten Gas, welches das Brennstoffgas und das Zirkulationsgas vom Ejektor-Set enthält, zu den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht, einen Temperatur-Detektor, welcher eine Temperatur des Brennstoffgases erfasst, und eine Steuereinheit, wobei das Ejektor-Set mindestens zwei parallel geschaltete Ejektoren umfasst, welche ein erster Ejektor, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ein erstes gemischtes Gas zuführt, und ein zweiter Ejektor sind, welcher den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels ein zweites gemischtes Gas zuführt, bei dem ein Gehaltsverhältnis des Zirkulationsgases kleiner als beim ersten gemischten Gas ist, und wobei, in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt, die Steuereinheit ein Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors größer macht als ein Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors, wenn ein gesamtes Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder größer ist, die Steuereinheit das Anwendungsverhältnis des ersten Ejektors größer macht als das Anwendungsverhältnis des zweiten Ejektors, wenn das gesamte Anwendungsverhältnis der Ejektoren des Ejektor-Sets als 100 % bestimmt wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur unter den vorbestimmten Grenzwert fällt, die Steuereinheit vom ersten Ejektor zum zweiten Ejektor umschaltet und den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das zweite gemischte Gas vom zweiten Ejektor zuführt.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, in welchem die durch den Temperatur-Detektor erfasste Brennstoffgas-Temperatur der vorbestimmte Grenzwert oder größer ist, die Steuereinheit den Brennstoff-Elektroden des Brennstoffzellenstapels das erste gemischte Gas vom ersten Ejektor zuführt.
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