DE102021109566A1

DE102021109566A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021109566A1
Application number: DE102021109566.2A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Matsusue
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2021-10-28
Also published as: JP7238849B2; JP2021174670A; CN113555584B; US20210336283A1; CN113555584A; US11462755B2

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das so konfiguriert ist, dass es das Austrocknen des Inneren des Brennstoffzellenstapels reduziert und die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels erhöht, indem eine Zirkulationsgasdurchflussmenge während des Hochtemperaturbetriebs reduziert wird. Offenbart ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel, einen Ejektor, einen ersten Injektor, der dem Ejektor Brenngas zuführt, einen zweiten Injektor, der eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat und der dem Ejektor das Brenngas zuführt, einen dritten Injektor, der Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels das Brenngas zuführt, eine Brenngaszuführeinrichtung, einen ersten Zuführströmungsweg, einen zweiten Zuführströmungsweg, der die Zuführung des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels ermöglicht, einen Zirkulationsströmungsweg, einen Temperaturdetektor und einen Controller.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
HINTERGRUND
Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die elektrische Leistung bzw. Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (H₂), der als Brenngas dient, und Sauerstoff (O₂), der als Oxidationsgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden auch einfach als „Stapel“ bezeichnet) erzeugt, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (im Folgenden auch als Zellen bezeichnet) besteht. Im Folgenden können Brenngas und Oxidationsgas gemeinsam und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
Im Allgemeinen bestehen die Einheitsbrennstoffzellen aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und, falls erforderlich, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig umgeben.
Die Membran-Elektroden-Anordnung hat eine solche Struktur, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran mit Protonen-(H+)-Leitfähigkeit (im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) ausgebildet sind.
Im Allgemeinen haben die Separatoren eine solche Struktur, dass auf einer Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, eine Nut als Reaktionsgasströmungsweg gebildet ist. Die Separatoren fungieren als Kollektor für den erzeugten Strom bzw. die erzeugte Elektrizität.
In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird der aus dem Gasströmungsweg und der Gasdiffusionsschicht zugeführte Wasserstoff durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff geht durch die Elektrolytmembran zur Oxidationselektrode (Kathode). Gleichzeitig wird ein Elektron erzeugt, das durch einen externen Stromkreis läuft, Arbeit verrichtet und dann zur Kathode geht. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff reagiert mit dem Proton und dem Elektron an der Kathode und erzeugt dabei Wasser.
Das erzeugte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit entsprechender Feuchtigkeit. Das überschüssige Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht und wird dann nach außen abgeleitet.
Es ist erforderlich, dass ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle umfasst, in der Brennstoffabgas, das redundanten Brennstoff von einer Brennstoffelektrode enthält, auf einer Brennstoffversorgungsseite zirkuliert und eine ausgezeichnete Brennstoffzirkulation in einem Gesamtbetriebsbereich von niedriger Last bis zu hoher Last gewährleistet ist.
Beispielsweise offenbart die Patentliteratur 1 ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Ejektor-Bypassleitung und einem Controller zur Steuerung der Öffnung ausgestattet ist und diese in Abhängigkeit von einem Betriebslastzustand steuert.
Die Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Bypassleitung und einem in der Bypassleitung angeordneten Pufferspeicher.

Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung JP 2003- 151 593 A
Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung JP 2007- 242 476 A

Während des Hochtemperaturbetriebs des Stapels steigt der Wasserdampf, der im Anodenabgas enthalten ist (aus dem Stapel entfernter Wasserdampf). Während des Hochtemperaturbetriebs ist es notwendig, das Austrocknen des Stapelinneren zu reduzieren.
Dementsprechend muss während des Hochtemperaturbetriebs die Durchflussmenge des Anodenabgases, das vom Stapel aus dem System nach außen ausgetragen wird, reduziert werden. Selbst im Falle eines Brennstoffzellensystems mit einem Zirkulationsströmungsweg für die Zirkulation des Anodenabgases wird Wasserdampf aus dem Stapel abgeleitet und kondensiert in einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider, der im Zirkulationsströmungsweg installiert ist, im Zirkulationsströmungsweg bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur im Inneren des Stapels usw. Dementsprechend kann der gesamte im Anodenabgas enthaltene Wasserdampf nicht als Zirkulationsgas in den Stapel zurückkehren. Infolgedessen neigt das Innere des Stapels zum Austrocknen.
Beim Brennstoffzellensystem der Patentliteratur 1 kann die Zirkulationsgasdurchflussmenge verringert werden, indem Brenngas aus der Ejektor-Bypassleitung in den Stapel eingeleitet wird und ein Rückflussphänomen zum Ejektor genutzt wird, das auf einen hohen Druckverlust am Eingang des Stapels zurückzuführen ist. Dementsprechend ist es möglich, die Menge des aus dem Stapel abgeführten Wasserdampfes zu reduzieren. Allerdings wird die Strömungsgeschwindigkeit des Zirkulationsgases, das vom Ejektor dem Stapel zugeführt wird, nicht berücksichtigt, und es ist manchmal schwierig, die Menge des aus dem Stapel entfernten Wasserdampfs basierend auf einem Anstieg der Stapel-Temperatur zu reduzieren, der mit einem Anstieg der Last verbunden ist.
Das Brennstoffzellensystem der Patentschrift 2 kann einen Anstieg des Drucks auf der Ejektorauslassseite reduzieren. Bei der Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems als Stromquelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs (im Folgenden auch als „Fahrzeug“ bezeichnet) etc. kann jedoch ein vom Betriebszustand des Fahrzeugs abhängiges Ansprechen auf die erforderliche Leistung unzureichend sein.
KURZFASSUNG
Die offenbarten Ausführungsformen wurden in Anbetracht der oben genannten Umstände erreicht. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsformen ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das so konfiguriert ist, dass es das Austrocknen des Inneren des Brennstoffzellenstapels reduziert und die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels erhöht, indem es die Zirkulationsgasdurchflussmenge (d.h. die Menge des aus dem Brennstoffzellenstapel entfernten Wasserdampfs) während des Hochtemperaturbetriebs reduziert.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das aufweist:

einen Brennstoffzellenstapel,
einen Ejektor,
einen Injektorsatz mit einem ersten Injektor, der dem Ejektor Brenngas zuführt, und einem zweiten Injektor, der parallel zu dem ersten Injektor angeordnet ist, der eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat, und der dem Ejektor das Brenngas zuführt,
einen dritten Injektor, der Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels das Brenngas zuführt,
eine Brenngaszuführeinrichtung, die das Brenngas dem ersten, dem zweiten und dem dritten Injektor zuführt,
einen ersten Zuführströmungsweg, der die Brenngaszuführeinrichtung, den Injektorsatz, den Ejektor und den Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge verbindet,
einen zweiten Zuführströmungsweg, der in einem Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Injektorsatz des ersten Zuführströmungsweges abzweigt, den Injektorsatz und den Ejektor umgeht, und an einer stromabwärtigen Position des Ejektors in den ersten Zuführströmungsweg einmündet, um die Zuführung des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen,
einen Zirkulationsströmungsweg, der das von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoffabgas zurückgewinnt und das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas zum Ejektor zurückführt,
einen Temperaturdetektor, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels erfasst, und
einen Controller,
wobei der Ejektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels Mischgas, das das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, zuführt, und
wobei der Controller in dem Fall, dass die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, von dem ersten Injektor auf den zweiten Injektor umschaltet und das Brenngas dem Ejektor zuführt, und der Controller das Brenngas von dem dritten Injektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt.

In dem Fall, in dem die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, kann der Controller das Brenngas von dem ersten Injektor dem Ejektor zuführen und der Controller kann die Zuführung des Brenngases von dem zweiten Injektor zu dem Ejektor und von dem dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels stoppen.
Gemäß den offenbarten Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem konfiguriert werden, um das Austrocknen des Inneren des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren und die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen, indem die Zirkulationsgasdurchflussmenge während des Hochtemperaturbetriebs reduziert wird.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen zeigt:

1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen, und
2 ein Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, das aufweist:

Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst den Zirkulationsströmungsweg und die Injektoren, die sich in der Brenngaseinspritzmenge unterscheiden. Während des Hochtemperaturbetriebs des Systems wird dem Stapel Brenngas vom zweiten Zuführströmungsweg (einem Ejektor-Bypassströmungsweg) zugeführt, und dem Ejektor wird Brenngas vom zweiten Injektor mit einer kleinen Brenngaseinspritzmenge zugeführt, wodurch die Zirkulationsgasdurchflussmenge, d.h. die Menge des aus dem Stapel entfernten Wasserdampfs, reduziert wird.
Gemäß den offengelegten Ausführungsformen wird durch die Verwendung sowohl des Ejektors als auch des Ejektor-Bypassströmungsweges während des Hochtemperaturbetriebs die Kraft aufgebracht, die das Brenngas veranlasst, vom Ejektor-Bypassströmungsweg zur Zirkulationsgaseinspritzdüsenseite des Ejektors zurückzufließen. Dadurch kann die Zirkulationsdurchflussmenge reduziert werden.
Wenn während des Hochtemperaturbetriebs die Durchflussmenge des dem Ejektor zugeführten Brenngases verringert wird und die Zirkulationsgasdurchflussmenge verringert wird, ohne den Ejektor-Bypass-Durchflussweg zu verwenden, kann die Leistung des Stapels durch einen Anstieg der Anodenüberspannung verringert werden.
Durch die Verwendung des Ejektor-Bypassströmungsweges kann die Durchflussmenge des dem Stapel zugeführten Zirkulationsgases verringert werden, während die Durchflussmenge des dem Stapel zugeführten Brenngases erhöht wird.
Beispiele für den Hochtemperaturbetrieb umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, Betriebszustände, die mehr Wert auf eine sichere Leistungsabgabe als auf die Kraftstoffeffizienz legen: Bergauffahren eines Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen eingebaut ist, und Fahren des Fahrzeugs mit Abschleppen eines anderen Fahrzeugs.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
Ein in 1 dargestelltes Brennstoffzellensystem 100 umfasst Folgendes: einen Brennstoffzellenstapel 11; einen Temperaturdetektor 12; einen ersten Zuführströmungsweg 13; einen Zirkulationsströmungsweg 14; einen zweiten Zuführströmungsweg 15; einen Injektorsatz 20, der einen ersten Injektor 21 und einen zweiten Injektor 22 parallel umfasst; einen dritten Injektor 23; einen Ejektor 24; eine Brenngaszuführeinrichtung 30; eine Oxidationsgaszuführeinrichtung 40; einen Oxidationsgaszuführströmungsweg 41; einen Oxidationsgasabfuhrströmungsweg 42; und einen Controller 50.
Der Temperaturdetektor 12, der erste Injektor 21, der zweite Injektor 22 und der dritte Injektor 23 sind elektrisch mit dem Controller 50 verbunden. Der Controller 50 erhält die vom Temperaturdetektor 12 erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels 11. Basierend auf der Temperatur steuert der Controller 50 den ersten Injektor 21, den zweiten Injektor 22 und den dritten Injektor 23.
Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst zumindest den Brennstoffzellenstapel, den Temperaturdetektor, den ersten Zuführströmungsweg, den Zirkulationsströmungsweg, den zweiten Zuführströmungsweg, den Injektorsatz, der den ersten Injektor und den zweiten Injektor parallel umfasst, den dritten Injektor, den Ejektor, die Brenngaszuführeinrichtung und den Controller. Im Allgemeinen umfasst das Brennstoffzellensystem ferner eine Oxidationsgaszuführeinrichtung, einen Oxidationsgaszuführströmungsweg, einen Oxidationsgasabfuhrströmungsweg, eine Kühlwasserzuführeinrichtung, einen Kühlwasserzirkulationsströmungsweg, usw.
Im Allgemeinen ist das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert und verwendet, das einen Motor als Antriebsquelle verwendet.
Der Motor ist nicht besonders beschränkt. Es kann ein herkömmlich bekannter Elektromotor sein.
Der Brennstoffzellenstapel kann den Motor mit Strom versorgen.
Der Brennstoffzellenstapel ist aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen aufgebaut.
Die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen ist nicht besonders begrenzt. Zum Beispiel können zwei bis mehrere hundert Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden, oder 2 bis 200 Einheitsbrennstoffzellen können gestapelt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann an beiden in Stapelrichtung liegenden Enden der Einheitsbrennstoffzellen eine Endplatte enthalten.
Jede Einheitsbrennstoffzelle enthält mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Oxidationselektrode, einer Elektrolytmembran und einer Brennstoffelektrode. Je nach Bedarf kann sie zwei Separatoren enthalten, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig umgeben.
Die Separatoren können auf einer Oberfläche, die in Kontakt mit einer Gasdiffusionsschicht steht, einen Reaktionsgasströmungsweg aufweisen. Außerdem können die Separatoren auf einer Oberfläche, die der Oberfläche in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht gegenüberliegt, einen Kühlwasserströmungsweg aufweisen, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf einem konstanten Niveau zu halten.
Die Separatoren können Zufuhr- und Auslassöffnungen für die Zufuhr von Reaktionsgas und Kühlwasser in Richtung des Brennstoffzellenstapels haben.
Beispiele für die Zufuhröffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und eine Kühlwasserzufuhröffnung.
Beispiele für die Auslassöffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngasauslassöffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung und eine Kühlwasserauslassöffnung.
Die Separatoren können ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element usw. sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, gasundurchlässigen, dichten Kohlenstoff, der durch Kohlenstoffverdichtung gewonnen wird, und eine Metallplatte (wie z.B. eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte), die durch Pressformen gewonnen wird. Die Separatoren können eine Stromsammelfunktion haben.
Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler haben, wie z.B. einen Einlassverteiler, der zwischen Zufuhröffnungen kommuniziert, und einen Auslassverteiler, der zwischen Auslassöffnungen kommuniziert.
Beispiele für den Einlassverteiler umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Anodeneinlassverteiler, einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kühlwassereinlassverteiler.
Beispiele für den Auslassverteiler umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Anodenauslassverteiler, einen Kathodenauslassverteiler und einen Kühlwasserauslassverteiler.
Die Oxidationselektrode umfasst eine Oxidationselektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Brennstoffelektrode umfasst eine Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
Die Oxidationselektroden-Katalysatorschicht und die Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht können z.B. ein Katalysatormetall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitenden Elektrolyten oder elektronenleitende Kohlenstoffpartikel enthalten.
Als Katalysatormetall kann z.B. Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (z.B. eine Pt-Legierung gemischt mit Kobalt, Nickel o. ä.) verwendet werden.
Der Elektrolyt kann ein Fluorharz oder ähnliches sein. Als Fluorharz kann z.B. eine Nation-Lösung verwendet werden.
Das Katalysatormetall wird von Kohlenstoffpartikeln getragen. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, die das Katalysatormetall tragen (d.h. die Katalysatorpartikel), und der Elektrolyt gemischt werden.
Als die Kohlenstoffpartikel zum Tragen des Katalysatormetalls (d.h. tragende Kohlenstoffpartikel) können z.B. wasserabweisende Kohlenstoffpartikel verwendet werden, die erhalten werden, indem die wasserabweisenden Eigenschaften von handelsüblichen Kohlenstoffpartikeln (Kohlenstoffpulver) durch Erhitzen verstärkt werden.
Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitfähiges Element oder ähnliches sein.
Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier, und ein poröses Metallmaterial, wie Metallgewebe und Metallschaum.
Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für die Festpolymerelektrolytmembran umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluor-Elektrolytmembran, wie eine feuchtigkeitshaltige, dünne Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann z.B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
Der Temperaturdetektor detektiert die Temperatur des Brennstoffzellenstapels. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels kann die Temperatur des Kühlwassers sein, das in und aus dem Brennstoffzellenstapel zirkuliert. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels kann auch die Temperatur des Kühlwassers sein, das um den Kühlwassereinlass des Brennstoffzellenstapels fließt, oder sie kann die Temperatur des Kühlwassers sein, das um den Kühlwasserauslass des Brennstoffzellenstapels fließt.
Beispiele für den Temperaturdetektor umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Temperatursensor.
Der erste Zuführströmungsweg verbindet die Brenngaszuführeinrichtung, das Injektorsatzes, den Ejektor und den Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge.
Der erste Zuführströmungsweg verbindet die Brenngaszuführeinrichtung und den Injektorsatz, um die Zufuhr des Brenngases von der Brenngaszuführeinrichtung zu den ersten und zweiten Injektoren des Injektorsatzes zu ermöglichen. Außerdem verbindet der erste Zuführströmungsweg den Injektorsatz und den Ejektor, um die Zufuhr des Brenngases vom Injektorsatz zum Ejektor zu ermöglichen. Überdies verbindet der erste Zuführströmungsweg den Ejektor und einen brennstoffbasierten Gaseinlass (z.B. den Anodeneinlassverteiler) des Brennstoffzellenstapels, um die Zufuhr des Mischgases vom Ejektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen. Das brennstoffbasierte Gas umfasst Brenngas und Mischgas, das Brenngas und Zirkulationsgas enthält.
Der zweite Zuführströmungsweg zweigt an einer stromabwärtigen Position der Brenngaszuführeinrichtung des ersten Zuführströmungsweges, also im Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Injektorsatz des ersten Zuführströmungsweges, ab, umgeht den Injektorsatz und den Ejektor und mündet an einer stromabwärtigen Position des Ejektors in den ersten Zuführströmungsweg, um die Zufuhr des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen. Dementsprechend verbindet der zweite Zuführströmungsweg die Brenngaszuführeinrichtung und den dritten Injektor, um die Zufuhr des Brenngases von der Brenngaszuführeinrichtung zum dritten Injektor zu ermöglichen.
Der zweite Zuführströmungsweg ist ein Ejektor-Bypassströmungsweg, der den Ejektor umgeht, um die direkte Zufuhr des Brenngases zum Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen.
Der Zirkulationsströmungsweg ermöglicht die Verbindung der Auslassöffnung für das Brennstoffabgas (z.B. den Anodenauslassverteiler) des Brennstoffzellenstapels mit dem Ejektor, die Rückgewinnung des von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebenen Brennstoffabgases und die Zuführung des Brennstoffabgas als Zirkulationsgas zum Ejektor.
Das Brennstoffabgas enthält hauptsächlich Brenngas, das durch die Brennstoffelektroden hindurchgetreten ist und dabei unreagiert geblieben ist, und Feuchtigkeit, bei der es sich um Wasser handelt, das an den Oxidationselektroden erzeugt und an die Brennstoffelektroden abgegeben wurde.
Im Zirkulationsströmungsweg kann ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider installiert sein, der zur Entfernung von kondensiertem Wasser dient, das durch die Abkühlung des Wasserdampfs des Brennstoffabgases im Zirkulationsströmungsweg entsteht. Außerdem kann im Zirkulationsströmungsweg ein Ablassströmungsweg installiert sein, der durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider vom Zirkulationsströmungsweg abzweigt, und im Ablassströmungsweg kann ein Ablassventil installiert sein.
Im Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann das entfernte Kondenswasser durch Öffnen des Ablassventils des vom Zirkulationsströmungsweg abzweigenden Ablassströmungswegs abgelassen werden.
Auch kann der Zirkulationsströmungsweg mit einer Zirkulationspumpe zur effizienten Zuführung des Zirkulationsgases zum Ejektor versehen sein.
Der Ejektor liefert das Mischgas, das das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels. Als Ejektor kann ein handelsüblicher Ejektor verwendet werden.
Der Injektorsatz umfasst den ersten Injektor und den zweiten Injektor parallel.
Der erste Injektor liefert das Brenngas an den Ejektor.
Der zweite Injektor ist parallel zum ersten Injektor angeordnet, hat eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor und führt dem Ejektor das Brenngas zu.
Die Brenngaseinspritzmenge des zweiten Injektors ist nicht besonders begrenzt, solange sie kleiner als die des ersten Injektors ist.
Die Injektoren des Injektorsatzes sind elektrisch mit dem Controller verbunden. Die Verwendung eines beliebigen der Injektoren des Injektorsatzes kann durch ein Signal vom Controller freigegeben werden. Um den verwendeten Injektor des Injektorsatzes zu schalten, kann der Injektorsatz mit einem Injektorschaltventil versehen sein. Das Schaltventil kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, und der benutzte Injektor kann durch Steuerung des Schaltventils durch ein Signal vom Controller geschaltet werden.
Der dritte Injektor ist auf dem zweiten Zuführströmungsweg, getrennt von dem Injektorsatz, angeordnet, und er liefert das Brenngas direkt an die Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels.
Die Brenngaseinspritzmenge des dritten Injektors ist nicht besonders begrenzt und kann kleiner als die des ersten Injektors sein. Auch kann die Brenngaseinspritzmenge des dritten Injektors größer, kleiner oder gleich der Brenngaseinspritzmenge des zweiten Injektors sein. Unter dem Gesichtspunkt der Reduzierung der Zirkulationsdurchflussmenge kann die Brenngaseinspritzmenge des dritten Injektors größer sein als die Brenngaseinspritzmenge des zweiten Injektors.
Im Allgemeinen mündet der zweite Zuführströmungsweg in den ersten Zuführströmungsweg an einer stromabwärts gelegenen Position des Ejektors, und der Druckverlust um den brennstoffbasierten Gaseinlass (z.B. den Anodeneinlassverteiler) des Stapels ist größer als der Druckverlust des ersten Zuführströmungswegs. Dementsprechend fließt ein Teil des Brenngases, das vom dritten Injektor dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch den ersten Zuführströmungsweg zurück und reduziert die Zufuhr des Mischgases vom Ejektor zum Brennstoffzellenstapel. Dadurch wird die Zirkulationsgasdurchflussmenge verringert und die Menge des Wasserdampfes, der durch das Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt wird, wird reduziert.
Durch die Verwendung des dritten Injektors in Kombination mit dem zweiten Injektor, der eine geringere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat, wird ein Anstieg der Anodenüberspannung reduziert und eine Abnahme der Stapelleistung verringert.
Der dritte Injektor kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, um den Startschalter des dritten Injektors durch den Controller ein- und auszuschalten.
Die Brenngaszuführeinrichtung liefert das Brenngas an den ersten, den zweiten und den dritten Injektor.
Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält. Es kann zum Beispiel Wasserstoffgas sein.
Beispiele für die Brenngaszuführeinrichtung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Brennstofftank, wie einen Flüssigwasserstofftank und einen Druckwasserstofftank.
Die Brenngaszuführeinrichtung kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, um die Brenngasversorgungsinjektoren durch ein Signal vom Controller zu steuern. Außerdem kann ein Steuerventil zur Steuerung der Brenngaszufuhr zum dritten Injektor an einer stromaufwärts gelegenen Position des dritten Injektors auf dem zweiten Zufuhrflussweg angeordnet sein. Das Steuerventil kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, um die Brenngaszufuhr von der Brenngaszuführeinrichtung zum dritten Injektor zu steuern, indem das Öffnen und Schließen des Steuerventils durch ein Signal vom Controller gesteuert wird.
Das Brennstoffzellensystem kann die Oxidationsgaszuführeinrichtung, den Oxidationsgaszuführströmungsweg und den Oxidationsgasabfuhrströmungsweg umfassen.
Die Oxidationsgaszuführeinrichtung versorgt zumindest die Oxidationselektroden des Brennstoffzellenstapels mit Oxidationsgas.
Beispiele für die Oxidationsgaszuführeinrichtung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Luftkompressor. Der Luftkompressor wird durch ein Steuersignal des Controllers angetrieben und führt das Oxidationsgas der Kathodenseite (z.B. der Oxidationselektrode und dem Kathodeneinlassverteiler) der Brennstoffzelle zu.
Der Oxidationsgaszuführströmungsweg ermöglicht die Verbindung der Oxidationsgaszuführeinrichtung mit dem Brennstoffzellenstapel und die Zuführung von Oxidationsgas von der Oxidationsgaszuführeinrichtung zu den Oxidationselektroden des Brennstoffzellenstapels.
Das Oxidationsgas ist ein sauerstoffhaltiges Gas. Es kann Luft, trockene Luft, reiner Sauerstoff oder ähnliches sein.
Der Oxidationsgasabfuhrströmungsweg ermöglicht den Abfluss des Oxidationsgases von den Oxidationselektroden des Brennstoffzellenstapels.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Kühlwasserzuführeinrichtung und einen Kühlwasserzirkulationsströmungsweg umfassen.
Der Kühlwasserzirkulationsströmungsweg ermöglicht die Verbindung zwischen dem Kühlwassereinlassverteiler und dem Kühlwasserauslassverteiler, die im Brennstoffzellenstapel installiert sind, die Zirkulation des von der Kühlwasserzuführeinrichtung gelieferten Kühlwassers in und aus dem Brennstoffzellenstapel und das Kühlen des Brennstoffzellenstapels.
Beispiele für die Kühlwasserzuführeinrichtung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kühlwasserpumpe.
Als Kühlwasser (Kältemittel) kann z.B. eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um ein Einfrieren bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffabgasabscheider enthalten.
Der Brennstoffabgasabscheider kann das Brennstoffabgas, in dem die Konzentration des Brenngases die vorbestimmte Konzentration oder weniger beträgt, nach außen abführen. Mit außen ist die Außenseite des Brennstoffzellensystems gemeint.
Der Brennstoffabgasabscheider kann ein Brennstoffabgas-Abgasablassventil enthalten. Je nach Bedarf kann er außerdem einen Brennstoffabgas-Ablassströmungsweg enthalten.
Das Brennstoffabgas-Abgasablassventil steuert die Brennstoffabgas-Ablassströmungsmenge.
Der Brennstoffabgas-Ablassströmungsweg kann vom Zirkulationsströmungsweg abzweigen.
Der Brennstoffabgasabscheider kann das Brennstoffabgas nach außen ablassen, wenn z.B. die Konzentration des Brenngases, wie z.B. Wasserstoff, im Brennstoffabgas die vorbestimmte Konzentration oder weniger beträgt. Die vorbestimmte Konzentration des Brenngases ist nicht besonders begrenzt und kann z.B. unter Berücksichtigung des Brennstoffwirkungsgrades des Brennstoffzellensystems angemessen bestimmt werden.
Das Verfahren zur Ermittlung der Konzentration des Brenngases im Brennstoffabgas ist nicht besonders eingeschränkt. Es kann z.B. ein herkömmlich bekannter Konzentrationssensor verwendet werden.
Der Controller steuert das Brennstoffzellensystem.
Der Controller kann über eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle mit dem Temperaturdetektor, dem Injektorsatz, dem dritten Injektor, der Brenngaszuführeinrichtung, dem Brennstoffabgasabscheider, der Oxidationsgaszuführeinrichtung und so weiter verbunden sein.
Der Controller entscheidet, ob die vom Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht. Außerdem schaltet der Controller den verwendeten Injektor des Injektorsatzes um, steuert das Ein- und Ausschalten des Startschalters des dritten Injektors, usw.
Der Controller umfasst physisch eine Verarbeitungseinheit, wie z.B. eine Zentraleinheit (CPU), eine Speichervorrichtung, wie z.B. einen Festwertspeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle. Das ROM dient zur Speicherung eines von der CPU verarbeiteten Steuerungsprogramms, von Steuerungsdaten usw., und das RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsbereiche für Steuerungsprozesse verwendet. Der Controller kann auch ein Steuergerät sein, wie z.B. ein Motorsteuergerät (ECU).
2 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für das Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Die offenbarten Ausführungsformen sind nicht auf dieses typische Beispiel beschränkt.
In dem in 2 gezeigten Steuerungsverfahren liefert der Controller zunächst zum Zeitpunkt des Betriebsstarts des Brennstoffzellenstapels oder während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels das Brenngas vom ersten Injektor zum Ejektor, und er liefert das Mischgas zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Ejektors.
Als nächstes erfasst der Temperaturdetektor die Temperatur des Brennstoffzellenstapels.
In dem Fall, dass die erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, beendet der Controller die Steuerung.
Wenn andererseits die erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, schaltet der Controller vom ersten Injektor auf den zweiten Injektor um und liefert das Brenngas an den Ejektor, und der Controller startet den dritten Injektor und liefert das Brenngas vom dritten Injektor an die Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels. Danach beendet der Controller die Steuerung.
(1) Erkennung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels
Der Temperaturdetektor erfasst die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu vorbestimmten Zeitpunkten.
Das Verfahren zur Erfassung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist nicht besonders eingeschränkt. Sie kann z.B. durch die Installation eines herkömmlich bekannten Temperatursensors im Brennstoffzellensystem und die Erfassung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (z.B. die Temperatur des Kühlwassers um den Kühlwassereinlass (wie den Kühlwassereinlassverteiler) des Brennstoffzellenstapels) unter Verwendung des Temperatursensors erfasst werden.
Der Zeitpunkt für die Erfassung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist nicht besonders begrenzt. Die Temperatur kann jedes Mal erfasst werden, wenn eine vorbestimmte Zeit verstreicht, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wurde; sie kann erfasst werden, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestartet wird; oder sie kann ständig erfasst werden. Die Erfassungszeit kann in geeigneter Weise festgelegt werden.
(2) Beurteilung, ob die Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht
Der Controller beurteilt, ob die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder nicht.
Der Schwellenwert der Temperatur des Brennstoffzellenstapels kann beispielsweise wie folgt bestimmt werden: Eine Datengruppe, die eine Korrelation zwischen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels und der Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels zeigt, wird im Voraus durch ein Experiment usw. vorbereitet, und der Schwellenwert der Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird durch die Leistung usw. des Brennstoffzellenstapels, die aus der Datengruppe erhalten wird, angemessen bestimmt.
(3) Steuerung der Zirkulationsgasdurchflussmenge
(3-1) Der Fall, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet
In dem Fall, in dem die vom Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, schaltet die Steuerung vom ersten Injektor auf den zweiten Injektor um und liefert das Brenngas an den Ejektor; unter Verwendung des Ejektors liefert der Controller das Mischgas an die Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels; und der Controller startet den dritten Injektor und liefert das Brenngas vom dritten Injektor an die Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels. Danach beendet der Controller die Steuerung.
Dementsprechend kann die Zirkulationsgasdurchflussmenge während des Hochtemperaturbetriebs des Brennstoffzellenstapels verringert werden. Dadurch kann die Austrocknung des Inneren des Brennstoffzellenstapels reduziert werden und die Stromerzeugungsleistung des Brennstoffzellenstapels kann erhöht werden.
(3-2) Der Fall, in dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist
Zum Zeitpunkt des Starts des Betriebs des Brennstoffzellenstapels und während des normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapels liefert der Controller das Brenngas vom ersten Injektor zum Ejektor, und der Controller liefert das Brenngas nicht vom zweiten Injektor zum Ejektor und vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels.
Dementsprechend kann der Controller in dem Fall, in dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, und in dem Fall, in dem der Controller das Brenngas vom ersten Injektor zum Ejektor liefert, die Steuerung beenden.
Auch schaltet der Controller in dem Fall, in dem die Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, wenn der Controller das Brenngas vom zweiten Injektor zum Ejektor und vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels liefert, vom zweiten Injektor auf den ersten Injektor um und liefert das Brenngas zum Ejektor, und der Controller stoppt den dritten Injektor, um die Brenngaszufuhr vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu beenden. Dann kann der Controller die Steuerung beenden.
Der Zeitpunkt, zu dem die zweite und die nachfolgenden Steuerungen nach Beendigung der ersten Steuerung durch den Controller gestartet werden, ist nicht besonders begrenzt. Sie können in einem vorbestimmten Zeitintervall durchgeführt werden, wobei der Zeitpunkt entsprechend festgelegt werden kann.
Bezugszeichenliste

11: Brennstoffzellenstapel
12: Temperaturdetektor
13: Erster Zuführströmungsweg
14: Zirkulationsströmungsweg
15: Zweiter Zuführströmungsweg
20: Injektorsatz
21: Erster Injektor
22: Zweiter Injektor
23: Dritter Injektor
24: Ejektor
30: Brenngaszuführeinrichtung
40: Oxidationsgaszuführeinrichtung
41: Oxidationsgaszuführströmungsweg
42: Oxidationsgasabfuhrströmungsweg
50: Controller
100: Brennstoffzellensystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2003151593 A [0010]
JP 2007242476 A [0010]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel, einen Ejektor, einen Injektorsatz mit einem ersten Injektor, der dem Ejektor Brenngas zuführt, und einem zweiten Injektor, der parallel zu dem ersten Injektor angeordnet ist, der eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat, und der dem Ejektor das Brenngas zuführt, einen dritten Injektor, der Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels das Brenngas zuführt, eine Brenngaszuführeinrichtung, die das Brenngas dem ersten, dem zweiten und dem dritten Injektor zuführt, einen ersten Zuführströmungsweg, der die Brenngaszuführeinrichtung, den Injektorsatz, den Ejektor und den Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge verbindet, einen zweiten Zuführströmungsweg, der in einem Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Injektorsatz des ersten Zuführströmungsweges abzweigt, den Injektorsatz und den Ejektor umgeht, und an einer stromabwärtigen Position des Ejektors in den ersten Zuführströmungsweg einmündet, um die Zuführung des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, einen Zirkulationsströmungsweg, der das von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoffabgas zurückgewinnt und das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas zum Ejektor zurückführt, einen Temperaturdetektor, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels erfasst, und einen Controller, wobei der Ejektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels Mischgas, das das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, zuführt, und wobei der Controller in dem Fall, dass die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, von dem ersten Injektor auf den zweiten Injektor umschaltet und das Brenngas dem Ejektor zuführt, und der Controller das Brenngas von dem dritten Injektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei in dem Fall, in dem die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, der Controller das Brenngas von dem ersten Injektor dem Ejektor zuführt und der Controller die Zuführung des Brenngases von dem zweiten Injektor zu dem Ejektor und von dem dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels stoppt.