DE102021116052A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein brennstoffeffizientes Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das so eingerichtet ist, dass es Flutungen in einem Brennstoffgasströmungspfad beseitigt, usw. Das Brennstoffzellensystem ist ein Brennstoffzellensystem, das umfasst: einen ersten Brennstoffzellenstapel, einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Brenngaszufuhrvorrichtung, einen ersten Zufuhrströmungspfad, einen ersten Zirkulationsströmungspfad, einen zweiten Zufuhrströmungspfad, einen zweiten Zirkulationsströmungspfad, einen ersten Umgehungsströmungspfad, der ein erstes Auf/Zu-Ventil umfasst, einen zweiten Umgehungsströmungspfad, der ein zweites Auf/Zu-Ventil umfasst, einen Temperaturdetektor, einen Stromdetektor, einen Spannungsdetektor und einen Controller.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Stromgenerierungsvorrichtung, die elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (H2), der als Brenngas dient, und Sauerstoff (O2), der als Oxidansgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden einfach als „Stapel“ bezeichnet), der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (im Folgenden als Zellen bezeichnet) besteht, generiert. Im Folgenden können Brenngas und Oxidansgas gemeinsam und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden.
  • Im Allgemeinen bestehen die Einheitsbrennstoffzellen aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEB) und - je nach Bedarf - zwei Separatoren, welche die Membran-Elektroden-Einheit zwischen sich aufnehmen.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung ist so aufgebaut, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Flächen einer Festpolymerelektrolytmembran mit Protonen (H+)-Leitfähigkeit (die im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet werden kann) gebildet werden.
  • Im Allgemeinen sind die Separatoren so aufgebaut, dass eine Rinne als ein Reaktionsgasströmungspfad auf einer Fläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, gebildet wird. Die Separatoren dienen als ein Kollektor für die generierte Elektrizität.
  • In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird der aus dem Gasströmungspfad und der Gasdiffusionsschicht zugeführte Wasserstoff durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert und der protonierte Wasserstoff gelangt durch die Elektrolytmembran zur Oxidanselektrode (Kathode). Gleichzeitig wird ein Elektron generiert, das durch einen externen Stromkreis fließt, Arbeit verrichtet und dann zur Kathode geht. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff reagiert mit dem Proton und dem Elektron an der Kathode, wodurch Wasser entsteht.
  • Das generierte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit genügend Feuchtigkeit. Überschüssiges Wasser dringt in die Gasdiffusionsschicht ein und wird dann nach außerhalb des Systems abgeleitet.
  • Es wurde viel Forschung an einem Brennstoffzellensystem betrieben, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug (das im Folgenden einfach als „Fahrzeug“ bezeichnet werden kann) installiert und verwendet wird.
  • Patentliteratur 1 offenbart zum Beispiel ein Brennstoffzellensystem, das Stapel und einen damit verbundenen Abgasdurchgang umfasst und das Ablassen von Wasser ermöglicht, das sich im ersten inneren Reaktionsgasströmungsdurchgang des ersten Brennstoffzellenstapels angesammelt hat, indem es die kinetische Energie von Abgas aus dem zweiten inneren Reaktionsgasströmungsdurchgang des zweiten Brennstoffzellenstapels nutzt.
  • Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem die Oxidation eines Zellenstapels in einem Zustand, in dem keine Energie generiert wird, dadurch verhindert wird, dass dem Zellenstapel in dem Zustand, in dem keine Energie generiert wird, Anodenabgas zugeführt wird.
  • Patentliteratur 3 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Pulsiersteuereinheit umfasst, die veranlasst, dass ein Anodengasdruck in pulsierender Weise variiert.
    • Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift (JP-A) Nr. 2006-294402
    • Patentliteratur 2: JP-A Nr. 2016-031841
    • Patentliteratur 3: Internationale Veröffentlichung Nr. WO 2015-170416
  • Wenn sich das durch die Stromgenerierung einer Brennstoffzelle generierte Wasser in einem Brennstoffgasströmungspfad usw. ansammelt und diese in einen Flutungszustand versetzt, so kann die Stromgenerierung der Brennstoffzelle versagen. Dementsprechend ist es erforderlich, das Wasser effizient aus dem Brennstoffgasströmungspfad usw. zu entfernen, ohne dass die Brennstoffeffizienz sinkt.
  • Das Brennstoffzellensystem der Patentliteratur 1 nutzt als eine Antriebskraft zum Erzeugen kinetischer Energie die Antriebskraft (Sog) einer Turbine, die auf der Gasaustrittsseite jedes Stapel angeordnet ist. Wenn die Brennstoffzelle in einem Niedrigstrombereich betrieben wird, so kann es zu einem Fluten kommen. Da der Niedrigstrombereich ein Stromgenerierungsbereich ist, in dem ein Auslassgasdruck niedrig ist, kann eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass der Brennstoffzelle nicht erhöht werden. Um kinetische Energie zu generieren, ist es dementsprechend erforderlich, den Sog zu erhöhen, indem die Turbine zwangsweise gedreht wird. Infolge dessen besteht die Möglichkeit eines übermäßigen Stromverbrauchs und einer Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz eines Fahrzeugs usw.
  • Das Brennstoffzellensystem der Patentliteratur 2 verbleibt in einem Stabilzustand, indem nur das Anodenabgas von einem Stack zum anderen Stack geleitet wird. Dementsprechend kann es nicht als ein Mittel zur Verbesserung der Wasserablasseigenschaften eines Brennstoffgasströmungspfades usw. dienen.
  • In dem Brennstoffzellensystem der Patentliteratur 3 stellt die Pulsiersteuereinheit die Impulsamplitude des Anodengasdrucks auf der Grundlage der Temperatur des Anodengases stromaufwärts eines Ejektors ein. Die Impulsgenerierung kann jedoch dadurch hervorgerufen werden, dass das Anodengas in die Brennstoffzelle eingeleitet wird, wenn der Auslassgasdruck der Brennstoffzelle niedrig ist. Dementsprechend ist es schwierig, die Impulsgenerierung zu einem gewünschten Zeitpunkt auszulösen.
  • KURZFASSUNG
  • Die offenbarten Ausführungsformen haben die oben dargelegten Umstände zum Hintergrund. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsformen ist die Bereitstellung eines brennstoffeffizienten Brennstoffzellensystems, das so eingerichtet ist, dass es eine Flutung in einem Brennstoffgasströmungspfad beseitigt, usw.
  • In einer ersten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das umfasst:
    • einen ersten Brennstoffzellenstapel,
    • einen zweiten Brennstoffzellenstapel,
    • eine Brenngaszufuhrvorrichtung, die den ersten und den zweiten Brennstoffzellenstapel mit Brenngas versorgt,
    • einen ersten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den ersten Brennstoffzellenstapel verbindet,
    • einen ersten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des ersten Brennstoffzellenstapels abgegebenes erstes Brennstoffabgas auffängt und das erste Brennstoffabgas als erstes Zirkulationsgas zu dem ersten Brennstoffzellenstapel zurückführt,
    • einen zweiten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den zweiten Brennstoffzellenstapel verbindet,
    • einen zweiten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des zweiten Brennstoffzellenstapels abgegebenes zweites Brennstoffabgas auffängt und das zweite Brennstoffabgas als zweites Zirkulationsgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel zurückführt,
    • einen ersten Umgehungsströmungspfad, der ein erstes Auf/Zu-Ventil umfasst und der es ermöglicht, den ersten Zirkulationsströmungspfad und den zweiten Zufuhrströmungspfad zu verbinden, den ersten Brennstoffzellenstapel zu umgehen und das erste Zirkulationsgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuzuführen,
    • einen zweiten Umgehungsströmungspfad, der ein zweites Auf/Zu-Ventil umfasst und der es ermöglicht, dass er den zweiten Zirkulationsströmungspfad und den ersten Zufuhrströmungspfad verbindet, den zweiten Brennstoffzellenstapel umgeht und das zweite Zirkulationsgas dem ersten Brennstoffzellenstapel zuführt,
    • einen Temperaturdetektor, der eine Systemtemperatur detektiert,
    • einen Stromdetektor, der einen Systemstrom detektiert,
    • einen Spannungsdetektor, der eine Stapelspannung detektiert, und
    • einen Controller,
    • wobei der Controller das erste und das zweite Auf/Zu-Ventil in einem normalen Betriebsmodus schließt;
    • wobei der Controller einen ersten Schritt ausführt, in dem, wenn die Systemtemperatur niedriger als eine zuvor festgelegte Temperatur ist und der Systemstrom niedriger als ein zuvor festgelegter Schwellenwert ist, einer des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels über eine zuvor festgelegte Zeit mit einem höheren Gasdruck betrieben wird als der andere Brennstoffzellenstapel; und
    • wobei der Controller einen zweiten Schritt ausführt, in dem, wenn die Stapelspannung von mindestens einem des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem ersten Schritt unter einem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, das erste Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der erste Brennstoffzellenstapel ist, und das zweite Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der zweite Brennstoffzellenstapel ist.
  • Der Brennstoffzellenstapel, der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betrieben wird, kann der Brennstoffzellenstapel sein, der in der Vergangenheit weniger häufig mit einem hohen Gasdruck betrieben wurde.
  • Der Controller kann einen dritten Schritt ausführen, in dem eine Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und eine Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und dann das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen wird.
  • Das brennstoffeffiziente Brennstoffzellensystem der beschriebenen Ausführungsformen kann eine Flutung im Brennstoffgasströmungspfad usw. verhindern.
  • Figurenliste
  • In den beigefügten Zeichnungen ist Folgendes zu sehen:
    • 1 ist ein schematisches Ausgestaltungsschaubild eines Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen, und
    • 2 ist das Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, das umfasst:
    • einen ersten Brennstoffzellenstapel,
    • einen zweiten Brennstoffzellenstapel,
    • eine Brenngaszufuhrvorrichtung, die den ersten und den zweiten Brennstoffzellenstapel mit Brenngas versorgt,
    • einen ersten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den ersten Brennstoffzellenstapel verbindet,
    • einen ersten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des ersten Brennstoffzellenstapels abgegebenes erstes Brennstoffabgas auffängt und das erste Brennstoffabgas als erstes Zirkulationsgas zu dem ersten Brennstoffzellenstapel zurückführt,
    • einen zweiten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den zweiten Brennstoffzellenstapel verbindet,
    • einen zweiten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des zweiten Brennstoffzellenstapels abgegebenes zweites Brennstoffabgas auffängt und das zweite Brennstoffabgas als zweites Zirkulationsgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel zurückführt,
    • einen ersten Umgehungsströmungspfad, der ein erstes Auf/Zu-Ventil umfasst und der es ermöglicht, dass er den ersten Zirkulationsströmungspfad und den zweiten Zufuhrströmungspfad verbindet, den ersten Brennstoffzellenstapel umgeht und das erste Zirkulationsgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuführt,
    • einen zweiten Umgehungsströmungspfad, der ein zweites Auf/Zu-Ventil umfasst und der es ermöglicht, dass er den zweiten Zirkulationsströmungspfad und den ersten Zufuhrströmungspfad verbindet, den zweiten Brennstoffzellenstapel umgeht und das zweite Zirkulationsgas dem ersten Brennstoffzellenstapel zuführt,
    • einen Temperaturdetektor, der eine Systemtemperatur detektiert,
    • einen Stromdetektor, der einen Systemstrom detektiert,
    • einen Spannungsdetektor, der eine Stapelspannung detektiert, und
    • einen Controller,
    • wobei der Controller das erste und das zweite Auf/Zu-Ventil in einem normalen Betriebsmodus schließt;
    • wobei der Controller einen ersten Schritt ausführt, in dem, wenn die Systemtemperatur niedriger als eine zuvor festgelegte Temperatur ist und der Systemstrom niedriger als ein zuvor festgelegter Schwellenwert ist, einer des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels über eine zuvor festgelegte Zeit mit einem höheren Gasdruck betrieben wird als der andere Brennstoffzellenstapel; und
    • wobei der Controller einen zweiten Schritt ausführt, in dem, wenn die Stapelspannung von mindestens einem des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem ersten Schritt unter einem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, das erste Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der erste Brennstoffzellenstapel ist, und das zweite Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der zweite Brennstoffzellenstapel ist.
  • Sobald das Wasser, das sich in dem Brennstoffgasströmungspfad usw. angesammelt hat, zu einer Flutung führt, kommt es zu einer Verknappung des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases. Infolge dessen kommt es zu einer irreversiblen Verschlechterung der Brennstoffzelle.
  • Der Begriff „Brennstoffgas“ (fuel-based gas) umfasst Brenngas (fuel gas), Brennstoffabgas (fuel off-gas) und Mischgas (mixed gas), das Brenngas und Zirkulationsgas umfasst. Der Begriff „Brennstoffgasströmungspfad“ umfasst den Brenngaszufuhrströmungspfad, den Brennstoffabgasauslassströmungspfad, den Zirkulationsströmungspfad, den Anodeneinlassverteiler, den Anodenauslassverteiler und so weiter.
  • Bei der Stromgenerierung der Brennstoffzelle in einem Niedrigstrombereich ist es aufgrund einer geringen Strömungsrate des Brennstoffgases wahrscheinlich, dass es zu einer Flutung in Strömungspfaden wie zum Beispiel dem Brennstoffgasströmungspfad kommen. Da das Wasser in dem Brennstoffgasströmungspfad die Ursache für eine Flutung sein kann, ist es effektiv, das Wasser durch Erzeugen einer Druckdifferenz (Impuls) zwischen dem unteren Abschnitt des Brennstoffgasströmungspfades (wie zum Beispiel dem Brennstoffabgasauslassströmungspfad) und dem oberen Abschnitt des Brennstoffgasströmungspfades (wie zum Beispiel dem Brenngaszufuhrströmungspfad) abzulassen.
  • Wie oben beschrieben, ist es jedoch im Stand der Technik schwierig, die Impulsgenerierung zu einem gewünschten Zeitpunkt zu veranlassen.
  • Ein weiteres Impulsgenerierungsverfahren kann zum Beispiel das folgende Verfahren sein: Brennstoffabgas wird vorübergehend durch Betreiben der Brennstoffzelle abgelassen, wenn der Druck des Brennstoffgasströmungspfades im Vergleich zum Normalbetrieb der Brennstoffzelle relativ hoch ist. Bei diesem Verfahren wird jedoch Brennstoff in verschwenderischer Weise abgelassen, wodurch die Brennstoffeffizienz eines Fahrzeugs verringert wird usw.
  • Ein weiteres Impulsgenerierungsverfahren kann zum Beispiel das folgende Verfahren sein: Hochdruckbrenngas wird vorübergehend durch Betreiben der Brennstoffzelle zugeführt, wenn der Druck des Brennstoffgasströmungspfades im Vergleich zum Normalbetrieb der Brennstoffzelle relativ niedrig ist. Da jedoch der Brennstoffzellenbetrieb bei einem niedrigen Druck ein Brennstoffzellenbetrieb in einem Niedrigstrombereich ist, gibt es Probleme mit einer schlechten Brenngasverteilung zwischen den Einheitszellen des Stapels, die auf eine niedrige Strömungsrate des Brenngases zurückzuführen ist, und mit einem Brenngasmangel des gesamten Stapels, der auf einen niedrigen Brenngaspartialdruck zurückzuführen ist.
  • Gemäß den offenbarten Ausführungsformen sind der Brenngaszufuhrströmungspfad und der Zirkulationsströmungspfad der beiden Stapel durch die Auf/Zu-Umgehungsströmungspfade verbunden, und die Stapel werden so betrieben, dass, wenn einer der Stapel in einen Flutungszustand fallen könnte, eine Brennstoffgasdruckdifferenz zwischen den Stapeln ohne Einsatz von Strom erzeugt wird.
  • Wenn dann einer der Stapel in einen Flutungszustand fällt, so werden die Stapel durch die Umgehungsströmungspfade verbunden und die Strömungsrate des Brennstoffgases wird durch die Brennstoffgasdruckdifferenz zwischen den Stapeln erhöht. Dadurch wird das in dem Strömungspfad angesammelte Wasser abgelassen.
  • Gemäß den offenbarten Ausführungsformen wird zwar ein zusätzlicher Stromverbrauch für den Wasserablass reduziert, doch wird nur die Brennstoffgasströmungsrate gesteuert, selbst wenn ein Druckunterschied zwischen dem Einlass und dem Auslass der Brennstoffzelle erzeugt wird, und ein Brennstoffmangel aufgrund der Flutung der beiden Stapel kann ohne den Einsatz von zusätzlichem Brenngas unterdrückt werden.
  • Gemäß den offenbarten Ausführungsformen kann die Zirkulationsgasströmungsrate eines der beiden Stapel, der ein Stapel ist, in dem der Druck verringert ist, erhöht werden. Dementsprechend ist es möglich, einen Brenngasmangel aufgrund einer schlechten Brenngasverteilung zwischen den Brennstoffelektroden der Einheitszellen der Stapel zu vermeiden, der durch eine Abnahme des Partialdrucks der Brennstoffelektroden verursacht wird. Darüber hinaus wird die Molzahl des reagierten Gases gemäß der Gaszustandsgleichung durch einen Druckabfall nicht verändert. Dementsprechend ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass die Stromgenerierungseffizienz der Brennstoffzelle sinkt.
  • In den offenbarten Ausführungsformen beträgt die Flutungsbeseitigungszeit zum Beispiel etwa 20 bis 30 Sekunden und sie kann länger sein als die Flutungsbeseitigungszeit in der Patentliteratur 1, die eine Zeit ist, die für die Beseitigung der Flutung durch Einschalten der Turbine erforderlich ist. In den offenbarten Ausführungsformen erfolgt die Flutung jedoch in einem Zeitmaßstab von etwa mehreren Minuten. Dementsprechend kann, wenn in Schritt 1 (der ein zeitaufwendiger Schritt ist) in Vorbereitung auf eine Flutung eine Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass der Brennstoffzelle erzeugt wird, die Flutung rasch durch Druckentlastung in dem Schritt 2 beseitigt werden.
  • 1 ist ein schematisches Ausgestaltungsschaubild eines Beispiels des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen.
  • Ein in 1 gezeigtes Brennstoffzellensystem 100 umfasst Folgendes: einen ersten Brennstoffzellenstapel 11, einen ersten Zufuhrströmungspfad 12, einen ersten Zirkulationsströmungspfad 13, einen zweiten Brennstoffzellenstapel 21, einen zweiten Zufuhrströmungspfad 22, einen zweiten Zirkulationsströmungspfad 23, eine Brenngaszufuhrvorrichtung 30, einen ersten Umgehungsströmungspfad 42, der ein erstes Auf/Zu-Ventil 41 umfasst, einen zweiten Umgehungsströmungspfad 44, der ein zweites Auf/Zu-Ventil 43 umfasst, einen Controller 50, einen Temperaturdetektor 51, einen Stromdetektor 52 und einen Spannungsdetektor 53.
  • Die Brenngaszufuhrvorrichtung 30, das erste Auf/Zu-Ventil 41, das zweite Auf/Zu-Ventil 43, der Temperaturdetektor 51, der Stromdetektor 52 und der Spannungsdetektor 53 sind elektrisch mit dem Controller 50 verbunden. Der Controller 50 steuert die Brenngaszufuhrvorrichtung 30, das erste Auf/Zu-Ventil 41 und das zweite Auf/Zu-Ventil 43.
  • Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst mindestens Folgendes: den ersten Brennstoffzellenstapel, den zweiten Brennstoffzellenstapel, die Brennstoffgaszufuhrvorrichtung, den ersten Zufuhrströmungspfad, den ersten Zirkulationsströmungspfad, den zweiten Zufuhrströmungspfad, den zweiten Zirkulationsströmungspfad, den ersten Umgehungsströmungspfad, der das erste Auf/Zu-Ventil umfasst, den zweiten Umgehungsströmungspfad, der das zweite Auf/Zu-Ventil umfasst, den Temperaturdetektor, den Stromdetektor, den Spannungsdetektor und den Controller. Im Allgemeinen umfasst das Brennstoffzellensystem des Weiteren eine Oxidansgaszufuhrvorrichtung, einen Oxidansgaszufuhrströmungspfad, einen Oxidansgasauslassströmungspfad, eine Kühlwasserzufuhrvorrichtung, einen Kühlwasserzirkulationsströmungspfad usw.
  • Im Allgemeinen wird das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut und verwendet, das einen Elektromotor als Antriebsquelle nutzt.
  • Für den Elektromotor bestehen keine besonderen Einschränkungen. Es kann ein im Stand der Technik bekannter Elektromotor sein.
  • Als Brennstoffzellenstapel umfasst das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen den ersten Brennstoffzellenstapel und den zweiten Brennstoffzellenstapel.
  • Jeder des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels besteht aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen.
  • Für die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen jedes Brennstoffzellenstapels bestehen keine besonderen Einschränkungen. Zum Beispiel können zwei bis mehrere hundert Einheitsbrennstoffzellen gestapelt werden, oder 2 bis 200 Einheitsbrennstoffzellen können gestapelt werden.
  • Die Anzahl der gestapelten Einheitsbrennstoffzellen des ersten Brennstoffzellenstapels kann die gleiche sein wie die des zweiten Brennstoffzellenstapels oder kann sich von der des zweiten Brennstoffzellenstapels unterscheiden.
  • Jeder Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte an beiden in Stapelrichtung verlaufenden Enden jeder Brennstoffzelleneinheit umfassen.
  • Jede Einheitsbrennstoffzelle umfasst mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung, die eine Oxidanselektrode, eine Elektrolytmembran und eine Brennstoffelektrode umfasst. Erforderlichenfalls kann sie zwei Separatoren umfassen, welche die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen sich aufnehmen.
  • Die Separatoren können auf einer Fläche, die mit einer Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Reaktionsgasströmungspfad aufweisen. Außerdem können die Separatoren auf einer Fläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Fläche gegenüberliegt, einen Kühlwasserströmungspfad aufweisen, um die Temperatur jedes Brennstoffzellenstapels auf einem konstanten Niveau zu halten.
  • Die Separatoren können Zufuhr- und Abflusslöcher für die Zufuhr von Reaktionsgas und Kühlwasser in der Stapelrichtung der Einheitszellen aufweisen.
  • Zu Beispielen für das Zufuhrloch gehören unter anderem ein Brenngaszufuhrloch, ein Oxidansgaszufuhrloch und ein Kühlwasserzufuhrloch.
  • Zu Beispielen für das Auslassloch gehören unter anderem ein Brenngasauslassloch, ein Oxidansgasauslassloch und ein Kühlwasserauslassloch.
  • Die Separatoren können ein gasundurchlässiges, elektrisch leitfähiges Element usw. sein. Zu Beispielen für das elektrisch leitfähige Element gehören unter anderem gasundurchlässiger, dichter Kohlenstoff, der durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte (wie zum Beispiel eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte), die durch Pressformen erhalten wird. Die Separatoren können eine Stromsammelfunktion haben.
  • Jeder Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler aufweisen, wie zum Beispiel einen Einlassverteiler, der eine Kommunikation zwischen Zufuhrlöchern herstellt, und einen Auslassverteiler, der eine Kommunikation zwischen Auslasslöchern herstellt.
  • Zu Beispielen für den Einlassverteiler gehören unter anderem ein Anodeneinlassverteiler, ein Kathodeneinlassverteiler und ein Kühlwassereinlassverteiler.
  • Zu Beispielen für den Auslassverteiler gehören unter anderem ein Anodenauslassverteiler, ein Kathodenauslassverteiler und ein Kühlwasserauslassverteiler.
  • Die Oxidanselektrode umfasst eine Oxidanselektrodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
  • Die Brennstoffelektrode umfasst eine Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht.
  • Die Oxidanselektrodenkatalysatorschicht und die Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht können zum Beispiel ein Katalysatormetall zum Beschleunigen einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitenden Elektrolyten oder elektronenleitende Kohlenstoffpartikel umfassen.
  • Als das Katalysatormetall kann zum Beispiel Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (wie zum Beispiel Pt-Legierung, gemischt mit Kobalt, Nickel oder dergleichen) verwendet werden.
  • Der Elektrolyt kann ein Fluorharz oder dergleichen sein. Als das Fluorharz kann zum Beispiel eine Nafion-Lösung verwendet werden.
  • Das Katalysatormetall wird auf Kohlenstoffpartikeln gestützt. In jeder Katalysatorschicht können die Kohlenstoffpartikel, die das Katalysatormetall (das heißt die Katalysatorpartikel) stützen, und der Elektrolyt vermischt sein.
  • Als die Kohlenstoffpartikel zum Stützen des Katalysatormetalls (das heißt die stützenden Kohlenstoffpartikel) können zum Beispiel wasserabweisende Kohlenstoffpartikel verwendet werden, die durch Verstärken der wasserabweisenden Eigenschaften handelsüblicher Kohlenstoffpartikel (Kohlenstoffpulver) mittels Erwärmen erhalten werden.
  • Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitfähiges Element oder dergleichen sein.
  • Zu Beispielen des elektrisch leitfähigen Elements können unter anderem ein poröses Kohlenstoffmaterial, wie zum Beispiel Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier, und ein poröses Metallmaterial, wie zum Beispiel Metallgewebe und Metallschaum, verwendet werden.
  • Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Zu Beispielen für die Festpolymerelektrolytmembran gehören unter anderem eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran, wie zum Beispiel eine feuchtigkeitshaltige, dünne Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann zum Beispiel eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont) sein.
  • Die Brenngaszufuhrvorrichtung beschickt den ersten und den zweiten Brennstoffzellenstapel mit Brenngas.
  • Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält. Es kann zum Beispiel Wasserstoffgas sein.
  • Zu Beispielen der Brenngaszufuhrvorrichtung gehören unter anderem ein Brennstofftank, wie zum Beispiel ein Tank für flüssigen oder komprimierten Wasserstoff.
  • Die Brenngaszufuhrvorrichtung kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, um die Brenngasströmungsrate des Brennstoffzellenstapels, in den die Brenngaszufuhrvorrichtung das Brenngas einleitet, durch ein Signal von dem Controller steuern zu können.
  • Als Brenngaszufuhrströmungspfade umfasst das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen den ersten Zufuhrströmungspfad und den zweiten Zufuhrströmungspfad.
  • Der erste Zufuhrströmungspfad verbindet die Brenngaszufuhrvorrichtung und den ersten Brennstoffzellenstapel.
  • Der erste Zufuhrströmungspfad verbindet die Brenngaszufuhrvorrichtung und den Brennstoffgaseinlass (zum Beispiel den Anodeneinlassverteiler) des ersten Brennstoffzellenstapels, um die Zufuhr des Brenngases von der Brenngaszufuhrvorrichtung zu dem ersten Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen.
  • Der zweite Zufuhrströmungspfad verbindet die Brenngaszufuhrvorrichtung und den zweiten Brennstoffzellenstapel.
  • Der zweite Zufuhrströmungspfad verbindet die Brenngaszufuhrvorrichtung und den Brennstoffgaseinlass (zum Beispiel den Anodeneinlassverteiler) des zweiten Brennstoffzellenstapels, um die Zufuhr des Brenngases von der Brenngaszufuhrvorrichtung zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel zu ermöglichen.
  • Als Zirkulationsströmungspfade umfasst das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen den ersten Zirkulationsströmungspfad und den zweiten Zirkulationsströmungspfad.
  • Der erste Zirkulationsströmungspfad verbindet das Brennstoffabgasauslassloch (zum Beispiel den Anodenauslassverteiler) des ersten Brennstoffzellenstapels und den ersten Zufuhrströmungspfad und ermöglicht es, das von den Brennstoffelektroden des ersten Brennstoffzellenstapels abgegebene erste Brennstoffabgas aufzufangen und das erste Brennstoffabgas als das erste Zirkulationsgas zu dem ersten Brennstoffzellenstapel zurückzuführen.
  • Der zweite Zirkulationsströmungspfad verbindet das Brennstoffabgasauslassloch (zum Beispiel den Anodenauslassverteiler) des zweiten Brennstoffzellenstapels und den zweiten Zufuhrströmungspfad und ermöglicht es, dass er das von den Brennstoffelektroden des zweiten Brennstoffzellenstapels abgegebene zweite Brennstoffabgas auffängt und das zweite Brennstoffabgas als das zweite Zirkulationsgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel zurückführt.
  • Sowohl das erste Brennstoffabgas als auch das zweite Brennstoffabgas enthalten hauptsächlich Brenngas, das die Brennstoffelektroden passiert hat und dabei unreagiert geblieben ist, sowie Feuchtigkeit, das heißt Wasser, das an den Oxidanselektroden generiert und zu den Brennstoffelektroden geleitet wurde.
  • Ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann in jedem des ersten und des zweiten Zirkulationsströmungspfades installiert werden, der für das Austragen von Kondenswasser verwendet wird, das durch Kühlen des Wasserdampfs des Brennstoffabgases in jedem Zirkulationsströmungspfad generiert wird. Außerdem kann in jedem Zirkulationsströmungspfad ein Ablassströmungspfad installiert sein, der durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider von jedem Zirkulationsströmungspfad abzweigt, und in dem Ablassströmungspfad kann ein Ablassventil installiert sein.
  • In dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann das ausgetragene Kondenswasser durch Öffnen des Ablassventils des von jedem Zirkulationspfad abzweigenden Ablasspfades abgelassen werden.
  • Außerdem kann jeder Zirkulationsströmungspfad zum Beispiel mit einem Ejektor und einer Zirkulationspumpe für ein effizientes Zuführen des Zirkulationsgases zu den Brennstoffzellenstapeln, wie zum Beispiel einer Wasserstoffpumpe, versehen sein.
  • Der Ejektor führt das Mischgas, welches das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, den Brennstoffelektroden jedes Brennstoffzellenstapels zu. Als der Ejektor kann ein im Stand der Technik bekannter Ejektor verwendet werden.
  • Ein Injektor kann zwischen dem Ejektor jedes Brenngaszufuhrströmungspfades und der Brenngaszufuhrvorrichtung angeordnet werden.
  • Der Injektor steuert den Gasdruck des dem Ejektor zugeführten Brenngases.
  • Als Umgehungsströmungspfade umfasst das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen den ersten Umgehungsströmungspfad und den zweiten Umgehungsströmungspfad.
  • Der erste Umgehungsströmungspfad umfasst das erste Auf/Zu-Ventil und ermöglicht es, den ersten Zirkulationsströmungspfad und den zweiten Zufuhrströmungspfad zu verbinden, den ersten Brennstoffzellenstapel zu umgehen und das erste Zirkulationsgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuzuführen.
  • Der zweite Umgehungsströmungspfad umfasst das zweite Auf/Zu-Ventil und ermöglicht es, den zweiten Zirkulationsströmungspfad und den ersten Zufuhrströmungspfad zu verbinden, den zweiten Brennstoffzellenstapel zu umgehen und das zweite Zirkulationsgas dem ersten Brennstoffzellenstapel zuzuführen.
  • Das Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffabgasauslassvorrichtung umfassen.
  • Die Brennstoffabgasauslassvorrichtung kann das Brennstoffabgas, in dem die Konzentration des Brenngases maximal so hoch wie die zuvor festgelegte Konzentration ist, nach außen ableiten. „Außen“ meint außerhalb des Brennstoffzellensystems.
  • Die Brennstoffabgasauslassvorrichtung kann ein Brennstoffabgasablassventil umfassen. Je nach Bedarf kann sie außerdem einen Brennstoffabgasauslassströmungspfad umfassen.
  • Das Brennstoffabgasauslassventil steuert die Menge der Brennstoffabgasauslassströmung.
  • Der Brennstoffabgasauslassströmungspfad kann von jedem Zirkulationspfad abzweigen.
  • Die Brennstoffabgasauslassvorrichtung kann das Brennstoffabgas nach außen leiten, wenn zum Beispiel die Konzentration des Brennstoffgases, wie zum Beispiel Wasserstoff, in dem Brennstoffabgas maximal so hoch ist wie die zuvor festgelegte Konzentration. Für die zuvor festgelegte Konzentration des Brenngases bestehen keine besonderen Einschränkungen; sie kann zum Beispiel unter Berücksichtigung der Brennstoffeffizienz des Brennstoffzellensystems zweckmäßig bestimmt werden.
  • Für das Verfahren zum Detektieren der Konzentration des Brenngases in dem Brennstoffabgas bestehen keine besonderen Einschränkungen. Zum Beispiel kann ein im Stand der Technik bekannter Konzentrationssensor verwendet werden.
  • Der Temperaturdetektor detektiert die Systemtemperatur. Die Systemtemperatur kann die Temperatur einer beliebigen Position in dem Brennstoffzellensystem sein oder sie kann der Durchschnitt der Temperatur des Kühlwassers sein, das in den ersten und den zweiten Brennstoffzellenstapel hinein und heraus zirkuliert. Die Temperatur der Brennstoffzellenstapel kann auch die Temperatur des Kühlwassers sein, das um den Kühlwassereinlass der Brennstoffzellenstapel herum fließt, oder sie kann die Temperatur von Kühlwasser sein, das um den Kühlwasserauslass der Brennstoffzellenstapel herum fließt.
  • Zu Beispielen des Temperaturdetektors gehört unter anderem ein Temperatursensor.
  • Der Stromdetektor detektiert den Systemstrom. Der Systemstrom kann der Strom einer beliebigen Position in dem Brennstoffzellensystem sein oder er kann der Durchschnitt des Stroms sein, der durch jeden des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels fließt.
  • Zu Beispielen des Stromdetektors gehört unter anderem ein Stromsensor.
  • Der Spannungsdetektor detektiert die Stapelspannung. Der Spannungsdetektor detektiert die Spannung jedes des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels.
  • Zu Beispielen des Spannungsdetektors gehört unter anderem ein Spannungssensor.
  • Das Brennstoffzellensystem kann die Oxidansgaszufuhrvorrichtung, den Oxidansgaszufuhrströmungspfad und den Oxidansgasauslassströmungspfad umfassen.
  • Die Oxidansgaszufuhrvorrichtung liefert Oxidansgas zu mindestens den Oxidanselektroden der Brennstoffzellenstapel.
  • Als die Oxidansgaszufuhrvorrichtung kann zum Beispiel ein Luftkompressor verwendet werden. Der Luftkompressor wird durch ein Steuersignal von dem Controller angesteuert und leitet das Oxidansgas zur Kathodenseite (wie zum Beispiel der Oxidanselektrode und dem Kathodeneinlassverteiler) der Brennstoffzelle.
  • Der Oxidansgaszufuhrströmungspfad ermöglicht die Verbindung zwischen der Oxidansgaszufuhrvorrichtung und den Brennstoffzellenstapeln und die Zufuhr von Oxidansgas von der Oxidansgaszufuhrvorrichtung zu den Oxidanselektroden der Brennstoffzellenstapel.
  • Das Oxidansgas ist ein sauerstoffhaltiges Gas. Es kann Luft, trockene Luft, reiner Sauerstoff oder dergleichen sein.
  • Der Oxidansgasauslassströmungspfad ermöglicht das Ausströmen des Oxidansgases von den Oxidanselektroden der Brennstoffzellenstapel.
  • Das Brennstoffzellensystem kann eine Kühlwasserzufuhrvorrichtung und einen Kühlwasserzirkulationsströmungspfad umfassen.
  • Der Kühlwasserzirkulationsströmungspfad ermöglicht eine Kommunikation zwischen dem Kühlwassereinlassverteiler und dem Kühlwasserauslassverteiler, die in den Brennstoffzellenstapeln installiert sind, zirkuliert das von der Kühlwasserzufuhrvorrichtung zugeführte Kühlwasser in die Brennstoffzellenstapel und aus den Brennstoffzellenstapeln, und kühlt die Brennstoffzellenstapel ab.
  • Zu Beispielen der Kühlwasserzufuhrvorrichtung gehört unter anderem eine Kühlwasserpumpe.
  • Als das Kühlwasser (Kältemittel) kann zum Beispiel eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um ein Einfrieren bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
  • Der Controller steuert das Brennstoffzellensystem.
  • Der Controller kann über eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle mit dem Temperaturdetektor, dem Stromdetektor, dem Spannungsdetektor, der Brenngaszufuhrvorrichtung, der Brennstoffabgasauslassvorrichtung, der Oxidansgaszufuhrvorrichtung usw. verbunden werden.
  • Der Controller umfasst physisch eine Verarbeitungseinheit, wie zum Beispiel eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), eine Speichervorrichtung, wie zum Beispiel einen Nurlesespeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) sowie die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle. Der ROM wird zum Speichern eines Steuerprogramms, von Steuerungsdaten usw., die durch die CPU verarbeitet werden, verwendet und der RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsräume für Steuerungsprozesse verwendet. Außerdem kann der Controller auch eine Steuervorrichtung wie zum Beispiel eine Motorsteuereinheit (Engine Control Unit, ECU) sein.
  • Der Controller schließt das erste und das zweite Ein/Aus-Ventil und führt den Normalbetriebsmodus für den Betrieb der Brennstoffzellenstapel, den ersten Schritt, den zweiten Schritt, den dritten Schritt usw. aus.
  • 2 ist das Flussdiagramm eines Beispiels des Verfahrens zum Steuern des Brennstoffzellensystems gemäß den offenbarten Ausführungsformen. Die offenbarten Ausführungsformen sind nicht auf dieses typische Beispiel beschränkt.
  • Bei dem in 2 gezeigten Steuerungsverfahren schließt der Controller zuerst das erste und das zweite Auf/Zu-Ventil und führt den Normalbetriebsmodus aus.
  • Dann führt der Controller den ersten Schritt aus, in dem, wenn die Systemtemperatur niedriger als die zuvor festgelegte Temperatur (der Schwellenwert der Temperatur) ist und der Systemstrom niedriger als der zuvor festgelegte Schwellenwert (der Schwellenwert des Stroms) ist, der erste Brennstoffzellenstapel über die zuvor festgelegte Zeit mit dem höheren Gasdruck als der zweite Brennstoffzellenstapel betrieben wird. Wenn der zweite Brennstoffzellenstapel in der Vergangenheit weniger häufig mit einem hohen Gasdruck betrieben wurde als der erste Brennstoffzellenstapel, so kann der zweite Brennstoffzellenstapel über die zuvor festgelegte Zeit mit dem höheren Gasdruck betrieben werden als der erste Brennstoffzellenstapel. Wenn andererseits die Systemtemperatur mindestens so hoch wie die zuvor festgelegte Temperatur (der Schwellenwert der Temperatur) ist und/oder der Systemstrom mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Schwellenwert (der Schwellenwert des Stroms) ist, so setzt der Controller den Normalbetriebsmodus fort.
  • Dann führt der Controller den zweiten Schritt aus, in dem, wenn die Stapelspannung von mindestens einem des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem ersten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert (dem Schwellenwert der Spannung) liegt, das erste Auf/Zu-Ventil geöffnet wird. Wenn die Spannung sowohl des ersten als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Spannungswert (der Schwellenwert der Spannung) ist, so kehren die Brennstoffzellenstapel in den Normalbetriebsmodus zurück.
  • Dann führt der Controller den dritten Schritt aus, in dem die Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert (dem Schwellenwert der Spannung) liegt, und die Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert (dem Schwellenwert der Spannung) liegt, und dann wird das im zweiten Schritt geöffnete erste Auf/Zu-Ventil geschlossen. Wenn hingegen die Spannung sowohl des ersten als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Spannungswert (der Schwellenwert der Spannung) ist, so wird das in dem zweiten Schritt geöffnete erste Auf/Zu-Ventil geschlossen und die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück. Wenn die Spannung nur des ersten Brennstoffzellenstapels unter dem zuvor festgelegten Spannungswert (dem Schwellenwert der Spannung) liegt, so wird die Gasströmungsrate nur des ersten Brennstoffzellenstapels erhöht und die Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels wird nicht erhöht; dann wird das im zweiten Schritt geöffnete erste Auf/Zu-Ventil geschlossen; die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück; und der Controller beendet die Steuerung. Wenn des Weiteren die Spannung nur des zweiten Brennstoffzellenstapels unter dem zuvor festgelegten Spannungswert (dem Schwellenwert der Spannung) liegt, so wird die Gasströmungsrate nur des zweiten Brennstoffzellenstapels erhöht und die Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels wird nicht erhöht; dann wird das im zweiten Schritt geöffnete erste Auf/Zu-Ventil geschlossen; die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück; und der Controller beendet die Steuerung.
  • Erster Schritt
  • Der erste Schritt, der durch die Steuerung ausgeführt wird, ist der folgende Schritt: Im Normalbetriebsmodus, in dem der Controller das erste und das zweite Auf/Zu-Ventil schließt und die Brennstoffzellenstapel betreibt, wird, wenn die Systemtemperatur unter der zuvor festgelegten Temperatur liegt und der Systemstrom unter dem zuvor festgelegten Schwellenwert liegt, einer des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels über die zuvor festgelegte Zeit mit dem höheren Gasdruck als der andere Brennstoffzellenstapel betrieben. Durch den ersten Schritt wird eine vorübergehende Druckdifferenz zwischen den beiden Brennstoffzellenstapeln erzeugt. Dadurch werden die in den Strömungspfaden vorhandenen Tröpfchen rasch abgeführt. Außerdem wird das Brenngas nicht vergeudet, da die Druckänderung in dem geschlossenen Brenngaszirkulationssystem erfolgt.
  • Wenn die Systemtemperatur mindestens so hoch wie die zuvor festgelegte Temperatur ist und/oder der Systemstrom mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Schwellenwert ist, so kann der Normalbetriebsmodus fortgesetzt werden.
  • Für den Brennstoffzellenstapel, der durch den Controller ausgewählt und im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betrieben wird, bestehen keine besonderen Einschränkungen. Es kann jener Brennstoffzellenstapel sein, der in der Vergangenheit weniger häufig mit einem hohen Gasdruck betrieben wurde. Dementsprechend kann die Lebensdauer der Brennstoffzellenstapel gemittelt werden.
  • Die Systemtemperatur dient als ein Indikator, um zu beurteilen, ob die Temperatur der Stapel in dem System zweckmäßig ist oder nicht.
  • Für die zuvor festgelegte Systemtemperatur gelten keine besonderen Einschränkungen. Zum Beispiel wird die Systemtemperatur zu dem Zeitpunkt, an dem die Flutung stattfindet, im Voraus gemessen. Anhand der gemessenen Systemtemperatur kann die Systemtemperatur, bei der eine Flutung wahrscheinlich ist, unter Berücksichtigung der Leistung des Brennstoffzellensystems zweckmäßig bestimmt werden. Wenn zum Beispiel die Systemtemperatur auf weniger als 70 °C sinkt, so kondensiert Wasserdampf in dem Brennstoffgasströmungspfad und das Eintreten einer Flutung ist wahrscheinlich.
  • Für den Zeitpunkt zum Detektieren der Systemtemperatur gelten keine besonderen Einschränkungen. Die Systemtemperatur kann jedes Mal detektiert werden, wenn eine zuvor festgelegte Zeit verstrichen ist, nachdem der Betrieb der Brennstoffzellenstapel im Normalbetriebsmodus gestartet wurde, oder sie kann detektiert werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzellenstapel im Normalbetriebsmodus gestartet wurde. Während des Normalbetriebsmodus kann die Temperatur der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich detektiert werden. Die Detektionszeit kann auf zweckmäßige Weise bestimmt werden.
  • Da sich der Systemstrom proportional zur Gasströmungsrate in dem System verhält, dient er als ein Indikator für die Beurteilung, ob die Gasströmungsrate in dem System zweckmäßig ist oder nicht. In dem Maße, wie der Systemstrom abnimmt, verringert sich die Gasströmungsrate in dem System, und die Antriebskraft, die das Kondensat in dem Strömungspfad fortschiebt, nimmt ab.
  • Für den zuvor festgelegten Schwellenwert des Systemstroms gelten keine besonderen Einschränkungen. Er kann auf zweckmäßige Weise bestimmt werden, indem im Voraus eine Datengruppe erstellt wird, die eine Beziehung zwischen dem Systemstrom und der Gasströmungsrate zeigt, und die Leistung des Brennstoffzellensystems anhand der Datengruppe betrachtet wird.
  • Für den Zeitpunkt zum Detektieren der Systemtemperatur gelten keine besonderen Einschränkungen. Die Systemtemperatur kann jedes Mal detektiert werden, wenn eine zuvor festgelegte Zeit verstrichen ist, nachdem der Betrieb der Brennstoffzellenstapel im Normalbetriebsmodus gestartet wurde, oder sie kann detektiert werden, wenn der Betrieb der Brennstoffzellenstapel im Normalbetriebsmodus gestartet wurde. Während des Normalbetriebsmodus kann die Temperatur der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich detektiert werden. Die Detektionszeit kann auf zweckmäßige Weise bestimmt werden.
  • Der Zeitpunkt für das Detektieren der Systemtemperatur kann der gleiche sein wie der Zeitpunkt für das Detektieren des Systemstroms oder kann ein anderer sein. Der Einfachheit halber kann es der gleiche Zeitpunkt sein.
  • Für das Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit dem höheren Gasdruck gelten keine besonderen Einschränkungen. Zu Beispielen für das Verfahren gehören unter anderem das Erhöhen der von der Brenngaszufuhrvorrichtung zugeführten Brenngasmenge, das Verringern der Häufigkeit des Ablassens des Brennstoffabgases nach außen und das Aufschieben des Zeitpunktes für das Ablassen von Brennstoffabgas nach außen.
  • Für die zuvor festgelegte Zeit zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit dem höheren Gasdruck gelten keine besonderen Einschränkungen, solange es die Zeit ist, über die eine Druckdifferenz zwischen den beiden Brennstoffzellenstapeln generiert werden kann. Die Zeit kann in Abhängigkeit von der Leistung der Brennstoffzellenstapel zweckmäßig bestimmt werden.
  • Für den Gasdruck des Brennstoffzellenstapels, der mit dem höheren Gasdruck betrieben wird, gelten keine besonderen Einschränkungen, solange er höher ist als der Gasdruck des anderen Brennstoffzellenstapels. Der Gasdruck kann ein zuvor festgelegter Gasdruck sein. Das heißt, der Brennstoffzellenstapel kann mit einem zuvor festgelegten Gasdruck betrieben werden, der höher ist als der Gasdruck des Normalbetriebsmodus.
  • Der zuvor festgelegte Gasdruck kann unter Berücksichtigung der Leistung des Brennstoffzellensystems usw. bestimmt werden.
  • Der Zirkulationsgasströmungsrate des Brennstoffzellenstapels, der im ersten Schritt nicht mit dem höheren Gasdruck betrieben wird, kann größer sein als die des Brennstoffzellenstapels, der mit dem höheren Gasdruck betrieben wird. Dementsprechend wird ein Brenngasmangel vermieden, der durch eine schlechte Brenngasverteilung zwischen den Brennstoffelektroden der Einheitszellen in den Stapeln verursacht wird, die auf eine Abnahme des Partialdrucks der Brennstoffelektroden zurückzuführen ist.
  • Es dauert eine gewisse Zeit, um den normalen Gasdruck des Brennstoffzellenstapels auf einen hohen Gasdruck zu bringen. Um eine Flutung so schnell wie möglich zu beseitigen, wenn sie auftritt, wird dementsprechend anhand der Systemtemperatur und des Systemstroms beurteilt, ob schon bald mit dem Eintreten einer Flutung zu rechnen ist oder nicht. Dann, wenn beurteilt wird, dass wahrscheinlich eine Flutung eintreten wird, wird einer der beiden Brennstoffzellenstapel mit hohem Druck betrieben, um eine Druckdifferenz zwischen den Stapeln zu generieren. Dementsprechend kann ein Moment zum Fortschieben des Kondenswassers, das sich in dem Brennstoffgasströmungspfad angesammelt hat, verstärkt werden, so dass eine Flutung rasch beseitigt werden kann, wenn die Spannung der Stapel gemessen wird und beurteilt wird, dass tatsächlich eine Flutung eintritt.
  • (2) Zweiter Schritt
  • Der zweite Schritt, der durch den Controller ausgeführt wird, ist der folgende Schritt: Wenn die Stapelspannung von mindestens einem des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem ersten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, so wird das erste Auf/Zu-Ventil geöffnet, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der erste Brennstoffzellenstapel ist, und das zweite Auf/Zu-Ventil wird geöffnet, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der zweite Brennstoffzellenstapel ist.
  • Wenn die Spannung sowohl des ersten als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Spannungswert ist, so kann der erste Schritt fortgesetzt werden oder die Brennstoffzellenstapel können in den Normalbetriebsmodus zurückkehren.
  • Sobald es in dem Brennstoffgasströmungspfad zu einer Flutung kommt, verringert sich die Strömungsrate des Brennstoffgases, so dass die Stapelspannung sinkt. Dementsprechend dient die Stapelspannung als ein Indikator für die Beurteilung, ob eine Flutung stattfindet oder nicht.
  • Für den zuvor festgelegten Spannungswert der Stapelspannung gelten keine besonderen Einschränkungen. Zum Beispiel wird die Stapelspannung im Voraus gemessen, wenn eine Flutung stattfindet. Anhand der gemessenen Stapelspannung kann der Stapelspannungswert unter Berücksichtigung der Leistung des Brennstoffzellensystems zweckmäßig bestimmt werden.
  • Für den Zeitpunkt zum Detektieren der Stapelspannung gelten keine besonderen Einschränkungen. Im ersten Schritt kann die Stapelspannung jedes Mal detektiert werden, wenn eine zuvor festgelegte Zeit nach Beginn des ersten Schrittes verstrichen ist. Die Stapelspannung kann auch detektiert werden, wenn der erste Schritt gestartet wird. Im ersten Schritt kann die Spannung der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich detektiert werden. Im zweiten Schritt kann die Stapelspannung jedes Mal detektiert werden, wenn eine zuvor festgelegte Zeit nach Beginn des zweiten Schrittes verstrichen ist. Die Stapelspannung kann auch detektiert werden, wenn der zweite Schritt gestartet wird. Im zweiten Schritt kann die Spannung der Brennstoffzellenstapel kontinuierlich detektiert werden. Die Detektionszeit kann auf zweckmäßige Weise bestimmt werden.
  • Nachdem die Brennstoffzellenstapel im ersten Schritt mit einer Druckdifferenz betrieben wurden, wird im zweiten Schritt das Auf/Zu-Ventil des mit dem höheren Gasdruck betriebenen Brennstoffzellenstapels geöffnet, wodurch eine Flutung rasch beseitigt wird.
  • (3) Dritter Schritt
  • Der dritte Schritt, der durch den Controller ausgeführt wird, ist der folgende Schritt: Die Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels wird erhöht, wenn die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und die Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels wird erhöht, wenn die Spannung des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und dann wird das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen. Durch das Schließen des im zweiten Schritt geöffneten Auf/Zu-Ventils kehren die Brennstoffzellenstapel in den Normalbetriebsmodus zurück. Wenn die Spannung sowohl des ersten als auch des zweiten Brennstoffzellenstapels mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Spannungswert ist, so wird das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen; die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück; und der Controller beendet die Steuerung. Wenn die Spannung nur des ersten Brennstoffzellenstapels unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, so wird die Gasströmungsrate nur des ersten Brennstoffzellenstapels erhöht und die Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels wird nicht erhöht; dann wird das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen; die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück; und der Controller beendet die Steuerung. Wenn die Spannung nur des zweiten Brennstoffzellenstapels unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, so wird die Gasströmungsrate nur des zweiten Brennstoffzellenstapels erhöht und die Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels wird nicht erhöht; dann wird das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen; die Brennstoffzellenstapel kehren in den Normalbetriebsmodus zurück; und der Controller beendet die Steuerung.
  • Der dritte Schritt ist der folgende Schritt: Es wird versucht, das Kondenswasser aus dem Brennstoffgasströmungspfad zu entfernen, indem das Auf/Zu-Ventil geöffnet und der Differenzdruck zwischen den Brennstoffzellenstapeln genutzt wird, und wenn die Stapelspannung nicht zu dem zuvor festgelegten Spannungswert oder mehr zurückkehrt und beurteilt wird, dass die Flutung nicht beseitigt ist, so wird die Flutung durch Erhöhen der Brenngasströmungsrate durch ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren beseitigt.
  • Der Zeitpunkt für das Schließen des Auf/Zu-Ventils kann der Zeitpunkt sein, an dem die Spannung des Brennstoffzellenstapels mindestens so hoch wie der zuvor festgelegte Spannungswert ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Erster Brennstoffzellenstapel
    12
    Erster Zufuhrströmungspfad
    13
    Erster Zirkulationsströmungspfad
    21
    Zweiter Brennstoffzellenstapel
    22
    Zweiter Zufuhrströmungspfad
    23
    Zweiter Zirkulationsströmungspfad
    30
    Brenngaszufuhrvorrichtung
    41
    Erstes Auf/Zu-Ventil
    42
    Erster Umgehungsströmungspfad
    43
    Zweites Auf/Zu-Ventil
    44
    Zweiter Umgehungsströmungspfad
    50
    Controller
    51
    Temperaturdetektor
    52
    Stromdetektor
    53
    Spannungsdetektor
    100
    Brennstoffzellensystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2006294402 A [0011]
    • JP 2016031841 A [0011]
    • WO 2015170416 [0011]

Claims (3)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen ersten Brennstoffzellenstapel, einen zweiten Brennstoffzellenstapel, eine Brenngaszufuhrvorrichtung, die den ersten und den zweiten Brennstoffzellenstapel mit Brenngas versorgt, einen ersten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den ersten Brennstoffzellenstapel verbindet, einen ersten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des ersten Brennstoffzellenstapels abgegebenes erstes Brennstoffabgas auffängt und das erste Brennstoffabgas als erstes Zirkulationsgas zu dem ersten Brennstoffzellenstapel zurückführt, einen zweiten Zufuhrströmungspfad, der die Brenngaszufuhrvorrichtung und den zweiten Brennstoffzellenstapel verbindet, einen zweiten Zirkulationsströmungspfad, der ein von Brennstoffelektroden des zweiten Brennstoffzellenstapels abgegebenes zweites Brennstoffabgas auffängt und das zweite Brennstoffabgas als zweites Zirkulationsgas zu dem zweiten Brennstoffzellenstapel zurückführt, einen ersten Umgehungsströmungspfad, der ein erstes Ein-Aus-Ventil umfasst und der es ermöglicht, dass er den ersten Zirkulationsströmungspfad und den zweiten Zufuhrströmungspfad verbindet, den ersten Brennstoffzellenstapel umgeht und das erste Zirkulationsgas dem zweiten Brennstoffzellenstapel zuführt, einen zweiten Umgehungsströmungspfad, der ein zweites Auf/Zu-Ventil umfasst und der es ermöglicht, dass er den zweiten Zirkulationsströmungspfad und den ersten Zufuhrströmungspfad verbindet, den zweiten Brennstoffzellenstapel umgeht und das zweite Zirkulationsgas dem ersten Brennstoffzellenstapel zuführt, einen Temperaturdetektor, der eine Systemtemperatur detektiert, einen Stromdetektor, der einen Systemstrom detektiert, einen Spannungsdetektor, der eine Stapelspannung detektiert, und einen Controller, wobei der Controller das erste und das zweite Auf/Zu-Ventil in einem normalen Betriebsmodus schließt; wobei der Controller einen ersten Schritt ausführt, in dem, wenn die Systemtemperatur niedriger als eine zuvor festgelegte Temperatur ist und der Systemstrom niedriger als ein zuvor festgelegter Schwellenwert ist, einer des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels über eine zuvor festgelegte Zeit mit einem höheren Gasdruck betrieben wird als der andere Brennstoffzellenstapel; und wobei der Controller einen zweiten Schritt ausführt, in dem, wenn die Stapelspannung von mindestens einem des ersten und des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem ersten Schritt unter einem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, das erste Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der erste Brennstoffzellenstapel ist, und das zweite Auf/Zu-Ventil geöffnet wird, wenn der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel der zweite Brennstoffzellenstapel ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der im ersten Schritt mit dem höheren Gasdruck betriebene Brennstoffzellenstapel derjenige ist, der in der Vergangenheit weniger häufig mit einem hohen Gasdruck betrieben wurde.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Controller einen dritten Schritt ausführt, in dem eine Gasströmungsrate des ersten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und eine Gasströmungsrate des zweiten Brennstoffzellenstapels erhöht wird, wenn die Spannung des zweiten Brennstoffzellenstapels nach dem zweiten Schritt unter dem zuvor festgelegten Spannungswert liegt, und dann das im zweiten Schritt geöffnete Auf/Zu-Ventil geschlossen wird.
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