DE102022113214A1 - Luftgekühltes Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Es wird ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem geschaffen, das zum effizienten Aufwärmen einer Brennstoffzelle konfiguriert ist. Ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem, wobei das luftgekühlte Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsluftzuführeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Reaktionsluft an einen Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle liefert, einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er die Reaktionsluftzuführeinrichtung und den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle verbindet, einen Reaktionsluftauslassströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktionsluftauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems verbindet, ein Gehäuse, eine Temperaturerfassungseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der von einem Kühlluftauslass abgegebenen Innenluft erfasst, und einen Controller; wobei der Controller auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und einen Öffnungsgrad derselben steuert.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die aus einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit (im Folgenden als „Zelle“ bezeichnet) oder einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden als „Stapel“ bezeichnet) besteht, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht, und die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsgas (z. B. Sauerstoff) erzeugt. In vielen Fällen sind das Brenngas und das Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, Gemische mit Gasen, die nicht zur Oxidation und Reduktion beitragen. Insbesondere ist das Oxidationsgas oft sauerstoffhaltige Luft.
  • Im Folgenden können Brenngas und Oxidationsgas zusammenfassend einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden. Auch können eine Brennstoffzelleneinheit und ein Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Einzelzellen besteht, als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
  • Es wurden verschiedene Techniken in Bezug auf Brennstoffzellen vorgeschlagen, die in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (im Folgenden als „Fahrzeug“ bezeichnet) eingebaut und verwendet werden.
  • Zum Beispiel offenbart die Patentliteratur 1 eine Brennstoffzellenstapelanordnung, die einen Stapel von Brennstoffzellen umfasst, wobei jede Brennstoffzelle eine Kühlluftleitung mit einer Eingangs-/Ausgangsbelüftungsöffnung aufweist, die auf einer Belüftungsfläche des Stapels angeordnet ist.
  • In der Patentliteratur 2 wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das verhindert, dass Kanäle durch kondensiertes Wasser blockiert werden, während gleichzeitig ein Spannungsabfall bis zum Äußersten verhindert wird.
  • Patentliteratur 3 offenbart ein automatisches Kesselmengenregelungssystem mit Blasbetrieb.
  • Patentliteratur 4 offenbart ein Betriebsverfahren eines fahrzeugseitigen Brennstoffzellenstapels, bei dem die Temperatur einer luftgekühlten Brennstoffzelle schnell auf eine für eine Stromerzeugungsreaktion geeignete Temperatur erhöht wird.
    • Patentliteratur 1: JP 2015- 520 500 A
    • Patentliteratur 2: JP 2001- 015 136 A
    • Patentliteratur 3: JP 1990- 021 102 A
    • Patentliteratur 4: JP 2005- 216 783 A
  • In einer luftgekühlten Brennstoffzelle wird Luft von außen durch einen Lufteinlass angesaugt und zur Verwendung in Reaktionsluft und Kühlluft aufgeteilt. Wie bei einer wassergekühlten Brennstoffzelle ist es auch bei einer luftgekühlten Brennstoffzelle erforderlich, Kühlluft umzuwälzen bzw. zu zirkulieren, um die Temperatur der Brennstoffzelle auf eine für die Stromerzeugung geeignete Temperatur zu erhöhen, indem die bei der Stromerzeugung der Brennstoffzelle entstehende Wärme genutzt wird.
  • In der Patentliteratur 1 werden mehrere Kühlgebläse benötigt. Dementsprechend kann sich das Gewicht der Baugruppe erhöhen; es wird ein spezielles Gebläse benötigt, um die Kühlgebläse rückwärts zu drehen; und wenn einige der Kühlgebläse gestoppt werden, kann eine lokale Überhitzung durch eine Verringerung der Durchflussmenge verursacht werden. Auch wird in der Patentliteratur 1 nach der Reaktion der Luft die reagierte Luft im Brennstoffzellensystem zirkuliert bzw. umgewälzt. Dementsprechend werden auch flüssiges Wasser und Wasserdampf, die in der reagierten Luft enthalten sind, gleichzeitig umgewälzt, und es entsteht Kondenswasser oder eine Pfütze im System. Infolgedessen kann es zu einer Verringerung der Brennstoffzellenleistung und einer Verschlechterung der Brennstoffzelle kommen.
  • Es ist auch möglich, den Temperaturanstieg in der Brennstoffzelle zu beschleunigen, indem man die Durchflussmenge der Kühlluft verringert, wie in Patentliteratur 4, anstatt die reagierte Luft umzuwälzen. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft, die als Kühlmittel verwendet wird, kann es jedoch zu einer lokalen Überhitzung kommen.
  • KURZFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben genannten Umstände erreicht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem zu schaffen, das zum effizienten Aufwärmen einer Brennstoffzelle konfiguriert ist.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem, wobei das luftgekühlte Brennstoffzellensystem aufweist:
    • eine Brennstoffzelle,
    • eine Reaktionsluftzuführeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Reaktionsluft an einen Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle liefert,
    • einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er die Reaktionsluftzuführeinrichtung und den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle verbindet,
    • einen Reaktionsluftauslassströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktionsluftauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems verbindet,
    • ein Gehäuse,
    • eine Temperaturerfassungseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der von einem Kühlluftauslass abgegebenen Innenluft erfasst, und
    • einen Controller;
    • wobei die Brennstoffzelle eine Struktur hat, bei der ein Reaktionsluftverteiler und ein Kühlluftverteiler unabhängig voneinander sind;
    • wobei das Gehäuse die Brennstoffzelle, die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg und die Temperaturerfassungseinrichtung aufnimmt;
    • wobei das Gehäuse einen Kühlluftzirkulationsströmungsweg enthält, der so konfiguriert ist, dass er den Kühlluftauslass der Brennstoffzelle und einen Kühllufteinlass der Brennstoffzelle verbindet;
    • wobei der Kühlluftzirkulationsströmungsweg einen Kühllufttreiber enthält, der stromabwärts von dem Kühlluftauslass der Brennstoffzelle angeordnet und so konfiguriert ist, dass er Kühlluft zu dem Kühllufteinlass der Brennstoffzelle liefert;
    • wobei das Gehäuse einen Lufteinlass und einen Luftauslass enthält;
    • wobei eine Druckverlusteinheit sowohl am Lufteinlass als auch an einem Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet ist;
    • wobei der Luftauslass eine Öffnungs- und Schließeinheit enthält; und
    • wobei der Controller auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und einen Öffnungsgrad derselben steuert.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur unter einem vorbestimmten ersten Temperaturschwellenwert liegt, kann der Controller die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als einen vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse umwälzen bzw. zirkulieren lassen.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr und weniger als ein vorbestimmter zweiter Temperaturschwellenwert ist, kann der Controller einen Teil der Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse in dem Gehäuse umwälzen bzw. zirkulieren lassen.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, kann der Controller die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad aus dem Gehäuse nach außen abgeben.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem kann ferner einen Außentemperatursensor aufweisen.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur unter einem vorbestimmten ersten Temperaturschwellenwert liegt, kann der Controller die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als einen vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse umwälzen bzw. zirkulieren lassen.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr und weniger als ein vorbestimmter zweiter Temperaturschwellenwert ist, kann der Controller einen Teil der Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse umwälzen bzw. zirkulieren lassen.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, kann der Controller die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad aus dem Gehäuse nach außen abgeben.
  • Durch das luftgekühlte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle effizient aufgewärmt.
  • Figurenliste
  • In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
    • 1 eine schematische Konfigurationsdarstellung eines Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, sowie eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Einwegmodus zeigt;
    • 2 eine schematische Konfigurationsdarstellung eines anderen Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, sowie eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zirkulationsmodus zeigt;
    • 3 eine schematische Konfigurationsdarstellung eines anderen Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, sowie eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zwischenmodus zeigt;
    • 4 eine schematische Konfigurationsdarstellung eines weiteren Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, sowie eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel für den Zirkulationsmodus zeigt; und
    • 5 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für die Steuerung des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem, wobei das luftgekühlte Brennstoffzellensystem aufweist:
    • eine Brennstoffzelle,
    • eine Reaktionsluftzuführeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Reaktionsluft an einen Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle liefert,
    • einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er die Reaktionsluftzuführeinrichtung und den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle verbindet,
    • einen Reaktionsluftauslassströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktionsluftauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems verbindet,
    • ein Gehäuse,
    • eine Temperaturerfassungseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der von einem Kühlluftauslass abgegebenen Innenluft erfasst, und
    • einen Controller;
    • wobei die Brennstoffzelle eine Struktur hat, bei der ein Reaktionsluftverteiler und ein Kühlluftverteiler unabhängig voneinander sind;
    • wobei das Gehäuse die Brennstoffzelle, die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg und die Temperaturerfassungseinrichtung aufnimmt;
    • wobei das Gehäuse einen Kühlluftzirkulationsströmungsweg enthält, der so konfiguriert ist, dass er den Kühlluftauslass der Brennstoffzelle und einen Kühllufteinlass der Brennstoffzelle verbindet;
    • wobei der Kühlluftzirkulationsströmungsweg einen Kühllufttreiber enthält, der stromabwärts von dem Kühlluftauslass der Brennstoffzelle angeordnet und so konfiguriert ist, dass er Kühlluft zu dem Kühllufteinlass der Brennstoffzelle liefert;
    • wobei das Gehäuse einen Lufteinlass und einen Luftauslass enthält;
    • wobei eine Druckverlusteinheit sowohl am Lufteinlass als auch an einem Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet ist;
    • wobei der Luftauslass eine Öffnungs- und Schließeinheit enthält; und
    • wobei der Controller auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und einen Öffnungsgrad derselben steuert.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung hat den folgenden Aufbau: Durch Umwälzen bzw. Zirkulieren der Kühlluft innerhalb einer Verkleidung, die als Gehäuse dient, werden die Brennstoffzelle und die Hilfskomponenten vollständig erwärmt, wobei Kondenswasser oder dergleichen vermieden wird. Zur Steuerung des Zirkulationsverhältnisses ist in der Verkleidung (dem Gehäuse) eine Jalousie angeordnet. Im Falle eines wassergekühlten Brennstoffzellensystems mit der gleichen Struktur ist es schwierig, den praktischen Einsatz der wassergekühlten Brennstoffzelle zu erreichen, da Wasser, das als Kühlmittel verwendet wird, elektrisch leitfähig ist und einen Kurzschluss im Brennstoffzellensystem verursacht.
  • Durch die Umwälzung der Kühlluft wird die Temperatur des gesamten Innenraums der Verkleidung des luftgekühlten Brennstoffzellensystems erhöht, und die Außenfläche der Brennstoffzelle, die Hilfskomponenten usw. werden ebenfalls erwärmt. Durch die vorliegende Erfindung wird auch die Gefahr des Einfrierens und Verstopfens von Hilfskomponenten, Rohren (Strömungswegen) usw. verringert.
  • Da die Reaktionsluft, die reagiertes flüssiges Wasser oder Wasserdampf enthält, nicht zirkuliert wird, wird das Auftreten von Kondenswasser, einer Pfütze, einer Abnahme der Sauerstoffkonzentration usw. unterdrückt. Da die Durchflussmenge der Kühlluft bei der vorliegenden Erfindung nicht verringert werden muss, wird das Risiko von Korrosion und Kurzschlüssen in internen elektrischen Schaltkreisen, Zellen usw. aufgrund von kondensiertem Wasser, einer Pfütze oder dergleichen verringert.
  • Da die Brennstoffzelle bei relativ gleichmäßiger Temperaturverteilung im Inneren der Brennstoffzelle und ohne Verringerung der Durchflussmenge der Kühlluft bzw. des Kühlluftdurchsatzes aufgewärmt wird, wird das Auftreten einer lokalen Überhitzung durch Veränderung des Kühlluftdurchsatzes aufgrund einer Wasserverstopfung des Kühlmittelströmungswegs verringert, und Risiken wie die Verschlechterung der Brennstoffzelle und eine Verringerung der Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle aufgrund einer lokalen Pfütze oder dergleichen, die durch einen Anstieg des Temperaturunterschieds auf der Zellenoberfläche verursacht wird, werden reduziert. Dementsprechend wird die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle stabilisiert.
  • Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem verwendet Luft als Kühlmittel. In der vorliegenden Erfindung kann die als Kühlmittel verwendete Luft als „Kühlluft“ bezeichnet werden. Luft, die als Oxidationsgas verwendet wird, kann in der vorliegenden Erfindung auch als „Reaktionsluft“ bezeichnet werden.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem umfasst die Brennstoffzelle, die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg, das Gehäuse, die Temperaturerfassungseinrichtung, den Controller und so weiter.
  • Die Brennstoffzelle umfasst im Allgemeinen eine Brennstoffzelleneinheit.
  • Die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle sein, die aus einer Brennstoffzelleneinheit besteht, oder sie kann ein Brennstoffzellenstapel sein, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht.
  • Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise können 2 bis mehrere hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt werden; 20 bis 600 Brennstoffzelleneinheiten können gestapelt werden; oder 40 bis 200 Brennstoffzelleneinheiten können gestapelt werden.
  • An den beiden in Stapelrichtung liegenden Enden jeder Brennstoffzelleneinheit kann der Brennstoffzellenstapel eine Endplatte, eine Kollektorplatte, eine Druckplatte und dergleichen umfassen.
  • Jede Brennstoffzelleneinheit kann eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung (MEGA) enthalten. Jede Brennstoffzelleneinheit kann einen ersten und einen zweiten Separator enthalten, die die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sandwichartig umgeben.
  • Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung umfasst eine erste Gasdiffusionsschicht, eine erste Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine zweite Katalysatorschicht und eine zweite Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
  • Genauer gesagt umfasst die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
  • Eine der ersten und zweiten Katalysatorschichten ist die Kathodenkatalysatorschicht und die andere ist die Anodenkatalysatorschicht.
  • Die Kathode (Oxidationselektrode) umfasst die Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
  • Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
  • Die erste Katalysatorschicht und die zweite Katalysatorschicht werden gemeinsam als „Katalysatorschicht“ bezeichnet. Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden zusammen als „Katalysatorschicht“ bezeichnet.
  • Eine der ersten Gasdiffusionsschicht und der zweiten Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, und die andere ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
  • Die erste Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die Kathodenkatalysatorschicht ist. Die erste Gasdiffusionsschicht ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die erste Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
  • Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die Kathodenkatalysatorschicht ist. Die zweite Gasdiffusionsschicht ist die anodenseitige Gasdiffusionsschicht, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
  • Die erste Gasdiffusionsschicht und die zweite Gasdiffusionsschicht werden gemeinsam als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet. Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden gemeinsam als „Gasdiffusionsschicht“ oder „Diffusionsschicht“ bezeichnet.
  • Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein.
  • Beispiele für das elektrisch leitende Element sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier und ein poröses Metallmaterial wie Metallgewebe und Metallschaum.
  • Die Brennstoffzelle kann eine mikroporöse Schicht (MPL) zwischen der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht enthalten. Die mikroporöse Schicht kann eine Mischung aus einem wasserabweisenden Harz wie PTFE und einem elektrisch leitenden Material wie Ruß enthalten.
  • Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für Festpolymerelektrolytmembranen sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran wie eine dünne, feuchtigkeitshaltige Perfluorsulfonsäuremembran. Die Elektrolytmembran kann z. B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont Co., Ltd.) sein.
  • Einer der ersten und zweiten Separatoren ist der kathodenseitige Separator, der andere der anodenseitige Separator.
  • Der erste Separator ist der kathodenseitige Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die Kathodenkatalysatorschicht ist. Der erste Separator ist der anodenseitige Separator, wenn die erste Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
  • Der zweite Separator ist der kathodenseitige Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die Kathodenkatalysatorschicht ist. Der zweite Separator ist der anodenseitige Separator, wenn die zweite Katalysatorschicht die Anodenkatalysatorschicht ist.
  • Der erste Separator und der zweite Separator werden gemeinsam als „Separator“ bezeichnet. Der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator werden gemeinsam als „Separator“ bezeichnet.
  • Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung ist sandwichartig zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator angeordnet.
  • Der Separator kann Zufuhr- und Auslassöffnungen aufweisen, durch die das Fluid, z. B. das Reaktionsgas und das Kühlmittel, in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit fließen kann. Handelt es sich bei dem Kühlmittel um ein Gas, so kann beispielsweise Kühlluft als Kühlmittel verwendet werden.
  • Beispiele für die Zufuhröffnung sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und eine Kühlmittelzufuhröffnung.
  • Beispiele für die Auslassöffnung sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngasauslassöffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung und eine Kühlmittelauslassöffnung.
  • Der Separator kann je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen umfassen.
  • Der Separator kann auf einer Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Reaktionsgasströmungsweg umfassen. Außerdem kann der Separator auf der Oberfläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg umfassen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
  • Wenn es sich bei dem Separator um den anodenseitigen Separator handelt, kann er je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen umfassen. Der anodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Brenngasströmungsweg aufweisen, der es dem Brenngas ermöglicht, von der Brenngaszufuhröffnung zur Brenngasauslassöffnung zu strömen. Bei Bedarf kann der anodenseitige Separator auf der Oberfläche, die der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kühlmittel ermöglicht, von der Kühlmittelzufuhröffnung zur Kühlmittelauslassöffnung zu strömen.
  • Wenn es sich bei dem Separator um den kathodenseitigen Separator handelt, kann er je nach Bedarf eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kühlmittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kühlmittelauslassöffnungen umfassen. Der kathodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Oxidationsgasströmungsweg aufweisen, der es dem Oxidationsgas ermöglicht, von der Oxidationsgaszufuhröffnung zur Oxidationsgasauslassöffnung zu strömen. Bei Bedarf kann der kathodenseitige Separator auf der Oberfläche, die der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kühlmittel ermöglicht, von der Kühlmittelzufuhröffnung zur Kühlmittelauslassöffnung zu strömen.
  • Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Harzmaterial wie ein wärmehärtendes Harz, ein thermoplastisches Harz und Harzfasern, ein Kohlenstoffverbundmaterial, das durch Pressformen einer Mischung erhalten wird, die ein kohlenstoffhaltiges Material wie Kohlenstoffpulver und Kohlenstofffasern enthält, gasundurchlässiger dichter Kohlenstoff, der durch Kohlenstoffverdichtung erhalten wird, und eine Metallplatte (wie eine Titanplatte, eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Platte aus rostfreiem Stahl (SUS)), die durch Pressformen erhalten wird. Der Separator kann als Kollektor fungieren.
  • Die Form des Separators kann zum Beispiel rechteckig, horizontal sechseckig, horizontal achteckig, kreisförmig oder länglich kreisförmig sein.
  • Die Brennstoffzelle kann einen Verteiler umfassen, wie z. B. einen Einlassverteiler, der zwischen den Zufuhröffnungen kommuniziert, und einen Auslassverteiler, der zwischen den Auslassöffnungen kommuniziert.
  • Beispiele für den Einlassverteiler sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodeneinlassverteiler, ein Reaktionslufteinlassverteiler (ein Kathodeneinlassverteiler) und ein Kühllufteinlassverteiler.
  • Beispiele für den Auslassverteiler sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Anodenauslassverteiler, ein Reaktionsluftauslassverteiler (ein Kathodenauslassverteiler) und ein Kühlluftauslassverteiler.
  • In der vorliegenden Erfindung werden der Reaktionslufteinlassverteiler (der Kathodeneinlassverteiler) und der Reaktionsluftauslassverteiler (der Kathodenauslassverteiler) gemeinsam als „Reaktionsluftverteiler“ bezeichnet.
  • Auch werden der Kühllufteinlassverteiler und der Kühlluftauslassverteiler in der vorliegenden Erfindung gemeinsam als „Kühlluftverteiler“ bezeichnet.
  • Die Brennstoffzelle ist so aufgebaut, dass der Reaktionsluftverteiler und der Kühlluftverteiler unabhängig voneinander sind.
  • In der vorliegenden Erfindung werden das Brenngas und das Oxidationsgas zusammen als „Reaktionsgas“ bezeichnet. Das der Anode zugeführte Reaktionsgas ist das Brenngas, und das der Kathode zugeführte Reaktionsgas ist das Oxidationsgas. Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, und kann Wasserstoff sein. Das Oxidationsgas kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder ähnliches sein.
  • Die Brennstoffzelle kann einen Harzrahmen umfassen.
  • Der Harzrahmen kann am Umfang der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung angeordnet sein und kann zwischen dem ersten Separator und dem zweiten Separator angeordnet sein.
  • Der Harzrahmen kann eine Komponente zur Verhinderung von Querleckagen oder eines Kurzschlusses zwischen den Katalysatorschichten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sein.
  • Der Harzrahmen kann ein Skelett, eine Öffnung, Zufuhröffnungen und Auslassöffnungen umfassen.
  • Das Skelett ist ein Hauptteil des Harzrahmens, der mit der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung verbunden ist.
  • Die Öffnung ist ein Bereich, der die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung aufnimmt, und ist auch ein Durchgangsloch, das einen Teil des Skeletts durchdringt, um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung darin einzusetzen. Im Harzrahmen kann die Öffnung an der Stelle angeordnet sein, an der das Skelett um die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung herum (am Umfang) angeordnet ist, oder sie kann in der Mitte des Harzrahmens angeordnet sein.
  • Durch die Zufuhr- und Auslassöffnungen können das Reaktionsgas, das Kühlmittel und ähnliches in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheit strömen. Die Zufuhröffnungen des Harzrahmens können so ausgerichtet und angeordnet sein, dass sie mit den Zufuhröffnungen des Separators in Verbindung stehen. Die Auslassöffnungen des Harzrahmens können so ausgerichtet und angeordnet sein, dass sie mit den Auslassöffnungen des Separators in Verbindung stehen.
  • Der Harzrahmen kann eine rahmenförmige Kernschicht und zwei rahmenförmige Schalenschichten umfassen, die auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet sind, d. h. eine erste Schalenschicht und eine zweite Schalenschicht.
  • Wie die Kernschicht können auch die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht rahmenförmig auf beiden Oberflächen der Kernschicht angeordnet sein.
  • Die Kernschicht kann ein Strukturelement sein, das gasdichtende Eigenschaften und isolierende Eigenschaften aufweist. Die Kernschicht kann aus einem solchen Material bestehen, dass die Struktur bei der Temperatur des Heißpressens in einem Brennstoffzellenherstellungsprozess unverändert bleibt. Beispiele für das Material für die Kernschicht sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, Harze wie Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat (PC), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyamid (PA), Polyimid (PI), Polystyrol (PS), Polyphenylenether (PPE), Polyetheretherketon (PEEK), Cycloolefin, Polyethersulfon (PES), Polyphenylsulfon (PPSU), Flüssigkristallpolymer (LCP) und Epoxidharz. Das Material für die Kernschicht kann ein Gummimaterial wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), Kautschuk auf Fluorbasis und Kautschuk auf Silikonbasis sein.
  • Im Hinblick auf die Gewährleistung der Isolationseigenschaften kann die Dicke der Kernschicht 5 µm oder mehr betragen, oder sie kann 30 µm oder mehr betragen. Im Hinblick auf die Verringerung der Zelldicke kann die Dicke der Kernschicht 200 µm oder weniger betragen, oder sie kann 150 µm oder weniger betragen.
  • Um die Kernschicht an den anodenseitigen und kathodenseitigen Separatoren zu befestigen und die Dichtungseigenschaften zu gewährleisten, können die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht die folgenden Eigenschaften aufweisen: die erste und die zweite Schalenschicht haben eine hohe Adhäsion zu anderen Substanzen; sie werden bei der Temperatur des Heißpressens aufgeweicht; und sie haben eine niedrigere Viskosität und einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Kernschicht. Genauer gesagt können die erste und die zweite Schalenschicht aus einem thermoplastischen Harz wie einem Harz auf Polyesterbasis und einem modifizierten Harz auf Olefinbasis bestehen, oder sie können aus einem duroplastischen Harz wie einem modifizierten Epoxidharz bestehen. Die erste Schalenschicht und die zweite Schalenschicht können aus der gleichen Art von Harz bestehen wie die Klebstoffschicht.
  • Das Harz zur Bildung der ersten Schalenschicht und das Harz zur Bildung der zweiten Schalenschicht können die gleiche Art von Harz sein, oder es können verschiedene Arten von Harzen sein. Durch die Anordnung der Schalenschichten auf beiden Oberflächen der Kernschicht ist es einfach, den Harzrahmen und die beiden Separatoren durch Heißpressen zu verbinden.
  • Im Hinblick auf die Gewährleistung der Haftung kann die Dicke der ersten und zweiten Schalenschicht 5 µm oder mehr betragen, oder sie kann 20 µm oder mehr betragen. Im Hinblick auf die Verringerung der Zelldicke kann die Dicke der ersten und zweiten Schalenschicht 100 µm oder weniger betragen, oder sie kann 40 µm oder weniger betragen.
  • In dem Harzrahmen kann die erste Schalenschicht nur an einem Teil angeordnet sein, der an dem anodenseitigen Separator befestigt ist, und die zweite Schalenschicht kann nur an einem Teil angeordnet sein, der an dem kathodenseitigen Separator befestigt ist. Die erste Schalenschicht, die auf einer Oberfläche der Kernschicht angeordnet ist, kann an dem kathodenseitigen Separator befestigt sein. Die zweite Schalenschicht, die auf der anderen Oberfläche der Kernschicht angeordnet ist, kann an dem anodenseitigen Separator befestigt sein. Der Harzrahmen kann sandwichartig zwischen den beiden Separatoren angeordnet sein.
  • Die Brennstoffzelle kann eine Dichtung zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten aufweisen.
  • Das Material für die Dichtung kann aus Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Gummi, Silikonkautschuk, thermoplastischem Elastomerharz oder ähnlichem bestehen.
  • Die Brennstoffzelle kann eine Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten enthalten.
  • Bei der Kühlplatte handelt es sich um eine gewellte Platte mit konkaven Rillen, die als Strömungsweg für das Kühlmittel dienen.
  • Als Kühlplatte kann z. B. eine gewellte Metallplatte verwendet werden, die durch Falten einer Metallplatte (z. B. einer Aluminiumplatte) hergestellt wird. Die Oberfläche der Kühlplatte kann einer Leitfähigkeitsbehandlung mit Silber, Nickel, Kohlenstoff oder dergleichen unterzogen werden.
  • Die konkaven Rillen der Kühlplatte können durch Falten der Kühlplatte gebildet werden.
  • Die Tiefe der konkaven Rillen kann z. B. zwischen 1,0 mm und 2,0 mm liegen.
  • Die Metallplatte kann so gefaltet werden, dass konkave Rillen mit einer Tiefe von 1,0 mm bis 2,0 mm und einem Abstand von 1,0 mm bis 2,0 mm entstehen, wodurch die gewellte Kühlplatte vorbereitet wird.
  • Solange die Kühlplatte zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist, kann die Kühlplatte zumindest in einem Teil des Bereichs in Ebenenrichtung zwischen den benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet sein.
  • Die Kühlplatte kann in dem Bereich angeordnet werden, der sich zwischen den in der Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzellen befindet und zumindest der MEGA zugewandt ist.
  • Die Kühlplatte kann in einem anderen Bereich als dem Bereich angeordnet sein, in dem die Dichtung zwischen den in der Ebenenrichtung benachbarten Brennstoffzelleneinheiten angeordnet ist.
  • Die Kühlplatte kann einen Vorsprung aufweisen, der von der Brennstoffzelleneinheit absteht.
  • Die Form der Kühlplatte kann beispielsweise rechteckig, horizontal sechseckig, horizontal achteckig, kreisförmig oder länglich kreisförmig sein.
  • Das Gehäuse beherbergt die Brennstoffzelle, die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg und die Temperaturerfassungseinrichtung. Das Gehäuse kann z.B. eine Verkleidung sein. Das Material des Gehäuses ist nicht besonders begrenzt und kann z.B. ein Metall, ein Harz oder ein kohlenstoffhaltiges Material sein.
  • Das Gehäuse umfasst das Kühlsystem der Brennstoffzelle. Das Gehäuse umfasst den Kühlluftzirkulationsströmungsweg als Kühlsystem der Brennstoffzelle. Der Kühlluftzirkulationsströmungsweg kann ein Bereich sein, der sich innerhalb des Gehäuses befindet und in dem keine Komponenten wie die Brennstoffzelle, das Oxidationsgassystem, das Brenngassystem und die Hilfskomponenten angeordnet sind. Zu den Hilfskomponenten gehören beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Controller, ein Wandler und ein Luftkompressor.
  • Der Kühlluftzirkulationsströmungsweg verbindet den Kühlluftauslass der Brennstoffzelle mit dem Kühllufteinlass der Brennstoffzelle. Der Kühllufteinlass kann eine Kühlmittelzufuhröffnung, ein Kühllufteinlassverteiler oder dergleichen sein. Der Kühlluftauslass kann eine Kühlmittelauslassöffnung, ein Kühlluftauslassverteiler oder dergleichen sein.
  • Der Kühlluftzirkulationsströmungsweg umfasst den Kühllufttreiber.
  • Der Kühllufttreiber ist stromabwärts vom Kühlluftauslass der Brennstoffzelle angeordnet und liefert die Kühlluft an den Kühllufteinlass der Brennstoffzelle.
  • Der Kühllufttreiber ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Kühllufttreiber wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers betrieben. Die Durchflussmenge des vom Kühllufttreiber der Brennstoffzelle zugeführten Kühlmittels wird vom Controller geregelt. Dadurch kann die Temperatur der Brennstoffzelle geregelt werden.
  • Beispiele für den Kühllufttreiber sind, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Luftpumpe, ein Luftkompressor, ein Luftgebläse und ein Luftventilator.
  • In der Brennstoffzelle wird durch die Anordnung des Kühllufttreibers auf der Kühlluftauslassseite der Druck innerhalb des Kühlluftverteilers der Brennstoffzelle auf atmosphärischen Druck oder weniger geregelt.
  • Die Struktur des Kühlsystems ist eine atmosphärische Freigabestruktur ohne Ventil, und der Druck der Kühlluft ist gleich dem Außendruck (z. B. -0,01 kPaG bis -0,3 kPaG). Dadurch wird verhindert, dass die Brennstoffzellenstruktur durch Druckunterschiede belastet wird, und die Verwendung eines leichten, kostengünstigen Gehäusematerials ist möglich.
  • Das Gehäuse umfasst den Lufteinlass und den Luftauslass.
  • Der Lufteinlass saugt Luft von der Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems an.
  • Der Luftauslass gibt Luft an die Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems ab.
  • Der Luftauslass umfasst die Öffnungs- und Schließeinheit.
  • Als Öffnungs- und Schließeinheit können beispielsweise eine bewegliche Jalousie und eine bewegliche Klappe verwendet werden, ohne hierauf beschränkt zu sein.
  • Da die Öffnungs- und Schließeinheit angeordnet ist, kann der Zirkulationsmodus und der Einzelmodus der Kühlluft durch Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit ausgewählt und gesteuert werden.
  • Die Öffnungs- und Schließeinheit ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und deren Öffnungsgrad werden entsprechend einem Steuersignal vom Controller gesteuert. Die Zirkulationsdurchflussmenge und die Auslassdurchflussmenge der Kühlluft können dadurch gesteuert werden.
  • Die Druckverlusteinheit ist sowohl am Lufteinlass als auch am Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet. Die Druckverlusteinheit kann beispielsweise ein Filter sein, ist aber hierauf nicht beschränkt. Durch die Anordnung der Druckverlusteinheit am Lufteinlass wird die erwärmte Luft im Gehäuse gehalten. Darüber hinaus wird durch die Anordnung der Druckverlusteinheit am Lufteinlass die Effizienz der Luftzirkulation im Gehäuse erhöht. Durch die Anordnung der Druckverlusteinheit am Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs wird die Kontamination des Oxidationsgassystems durch Verunreinigungen unterdrückt.
  • Das Gehäuse kann einen Luftverteiler enthalten. Der Luftverteiler teilt die vom Lufteinlass angesaugte Luft in die Reaktionsluft und die Kühlluft auf, bevor die Luft in die Brennstoffzelle eingeleitet wird. Der Luftverteiler ist nicht immer erforderlich, wenn der Reaktionslufteinlass, der zum Ansaugen der Reaktionsluft von außen ausgebildet ist, und der Kühllufteinlass, der zum Ansaugen der Kühlluft von außen ausgebildet ist, als Lufteinlass angeordnet sind.
  • Der Luftverteiler kann die Luft in die Reaktionsluft und die Kühlluft in einem Durchflussmengenverhältnis von 1:20 bis 1:50 aufteilen.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Oxidationsgassystem (ein Reaktionsluftsystem).
  • Das Oxidationsgassystem kann die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg, einen Reaktionsluftbypassströmungsweg, ein Bypassventil, einen Reaktionsluftdurchsatzsensor usw. umfassen. Insbesondere kann es sich bei dem Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, dem Reaktionsluftauslassströmungsweg und/oder dem Reaktionsluftbypassströmungsweg um ein Rohr handeln.
  • Die Reaktionsluftzuführeinrichtung liefert die Reaktionsluft an die Brennstoffzelle. Genauer gesagt, liefert die Reaktionsluftzuführeinrichtung die Reaktionsluft an die Kathode der Brennstoffzelle.
  • Das abgedichtete Volumen des Oxidationsgassystems kann das 5-fache oder weniger des abgedichteten Volumens des Brenngassystems betragen.
  • Die Reaktionsluftzuführeinrichtung liefert die Reaktionsluft an den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle.
  • Als Reaktionsluftzuführeinrichtung kommen beispielsweise eine Luftpumpe, ein Luftkompressor, ein Luftgebläse und ein Luftventilator in Frage, ohne hierauf beschränkt zu sein.
  • Im Oxidationsgassystem wird die Reaktionsluftzuführeinrichtung unabhängig vor der Einleitung der Reaktionsluft in die Brennstoffzelle angeordnet. Durch die unabhängige Anordnung des Kühllufttreibers und der Reaktionsluftzuführeinrichtung im Kühlsystem bzw. im Oxidationsgassystem werden die Durchflussmengen der Kühlluft und der Reaktionsluft unabhängig voneinander gesteuert; die Wasserauslasseigenschaften und die Feuchtigkeit werden präzise gesteuert; und die Stromerzeugungsleistung der Brennstoffzelle wird erhöht.
  • Die Reaktionsluftzuführeinrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Die Reaktionsluftzuführeinrichtung wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers betrieben. Mindestens eines der Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus der Durchflussmenge und dem Druck der Reaktionsluft besteht, die der Kathode von der Reaktionsluftzuführeinrichtung zugeführt wird, kann von dem Controller gesteuert werden.
  • Der Reaktionsluftzufuhrströmungsweg verbindet die Reaktionsluftzuführeinrichtung und den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle. Der Reaktionsluftzufuhrströmungsweg ermöglicht die Zufuhr der Reaktionsluft von der Reaktionsluftzuführeinrichtung zu der Kathode der Brennstoffzelle. Bei dem Reaktionslufteinlass kann es sich um die Oxidationsgaszufuhröffnung, den Kathodeneinlassverteiler oder dergleichen handeln. Der Reaktionsluftzufuhrströmungsweg kann vom Luftverteiler abzweigen. Der Reaktionsluftzufuhrströmungsweg kann vom Kühlluftzirkulationsströmungsweg abzweigen.
  • Der Reaktionsluftzufuhrströmungsweg kann das erste Ventil in dem Bereich stromabwärts der Reaktionsluftzuführeinrichtung und stromaufwärts des Reaktionslufteinlasses der Brennstoffzelle umfassen.
  • Das erste Ventil kann direkt am Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle angeordnet sein.
  • Das erste Ventil kann stromaufwärts von der Reaktionsluftzuführeinrichtung angeordnet sein.
  • Das erste Ventil wird elektrisch über den Controller gesteuert. Durch Öffnen des ersten Ventils durch den Controller wird die Reaktionsluft aus dem Reaktionsluftzufuhrströmungsweg dem Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle zugeführt.
  • Die Druckverlusteinheit ist am Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet. Die Druckverlusteinheit kann stromaufwärts von der Reaktionsluftzuführeinrichtung des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet sein. Die Druckverlusteinheit kann beispielsweise ein Filter sein, ist aber hierauf nicht beschränkt. Als Druckverlusteinheit, die im Reaktionsluftzufuhrströmungsweg angeordnet ist, kann z. B. ein Filter verwendet werden, der feiner ist und einen höheren Druckverlust aufweist als die Druckverlusteinheit, die im Lufteinlass angeordnet ist. Wird das gesamte Lufteinlasssystem gereinigt, erhöht sich der Energieverlust der Brennstoffzelle. Wenn jedoch nur das Oxidationsgassystem gereinigt wird, wird der Energieverlust der Brennstoffzelle unterdrückt. Durch den Einsatz des feineren Filters wird die Verschmutzung der Kühlluft reduziert und die Lebensdauer der Brennstoffzelle wird erhöht.
  • Der Reaktionsluftauslassströmungsweg verbindet den Reaktionsluftauslass der Brennstoffzelle mit der Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems. Der Reaktionsluftauslassströmungsweg ermöglicht es, dass die Reaktionsluft, die von der Kathode der Brennstoffzelle ausgetragen wird, aus dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem nach außen abgeleitet wird. Bei dem Reaktionsluftauslass kann es sich um die Oxidationsgasauslassöffnung, den Kathodenauslassverteiler oder dergleichen handeln.
  • Der Reaktionsluftauslassströmungsweg kann ein zweites Ventil stromabwärts des Reaktionsluftauslasses der Brennstoffzelle umfassen. Das zweite Ventil kann ein Dichtungsventil oder ein Oxidationsgasdruckregelventil sein.
  • Das zweite Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des zweiten Ventils durch den Controller wird die Reaktionsluft aus dem Reaktionsluftauslassströmungsweg nach außen abgeleitet. Der Druck der der Kathode zugeführten Reaktionsluft (Kathodendruck) kann durch Steuern des Öffnungsgrads des zweiten Ventils geregelt werden.
  • Der Reaktionsluftbypassströmungsweg zweigt vom Reaktionsluftzufuhrströmungsweg ab, umgeht die Brennstoffzelle und verbindet die Abzweigung des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs mit der Verzweigung des Reaktionsluftauslassströmungswegs.
  • Das Bypassventil ist in dem Reaktionsluftbypassströmungsweg angeordnet.
  • Das Bypassventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des Bypassventils durch den Controller, wenn die Zufuhr von Reaktionsluft in die Brennstoffzelle nicht erforderlich ist, kann die Reaktionsluft die Brennstoffzelle umgehen und aus dem Reaktionsluftauslassströmungsweg nach außen abgeleitet werden.
  • Der Reaktionsluftdurchsatzsensor kann im Reaktionsluftzufuhrströmungsweg angeordnet sein.
  • Der Reaktionsluftdurchsatzsensor erfasst die Durchflussmenge der Reaktionsluft im Oxidationsgassystem. Der Reaktionsluftdurchsatzsensor ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller kann die Drehzahl des Luftkompressors anhand der vom Reaktionsluftdurchsatzsensor erfassten Durchflussmenge der Reaktionsluft schätzen. Der Reaktionsluftdurchsatzsensor kann stromaufwärts von der Reaktionsluftzuführeinrichtung des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet sein.
  • Als Reaktionsluftdurchsatzsensor kann ein herkömmlicher Durchflussmesser oder dergleichen verwendet werden.
  • Für das Oxidationsgassystem kann durch die Reaktionsluftzuführeinrichtung und das zweite Ventil der Druck innerhalb des Reaktionsluftverteilers der Brennstoffzelle ein Druck sein, der gleich oder höher als der Atmosphärendruck ist (z. B. 5 kPaG bis 15 kPaG).
  • Der Druck der Reaktionsluft wird durch das zweite Ventil des Oxidationsgassystems erhöht. Dementsprechend wird die Leistung der Brennstoffzelle durch den erhöhten Sauerstoffpartialdruck erhöht und ein Austrocknen der Brennstoffzelle verhindert.
  • Wenn das Oxidationsgassystem und das Kühlsystem nicht voneinander getrennt sind, muss auch der Druck der Kühlluft erhöht werden, deren Durchflussmenge etwa das 30-fache der Durchflussmenge der Reaktionsluft beträgt. Infolgedessen ist der Energieverlust, der entsteht, wenn das Oxidationsgassystem und das Kühlsystem nicht getrennt sind, 30 Mal oder mehr größer als der Energieverlust, der entsteht, wenn das Oxidationsgassystem und das Kühlsystem getrennt sind.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Brenngassystem.
  • Das Brenngassystem liefert Brenngas an die Brennstoffzelle.
  • Das Brenngassystem umfasst eine Brenngaszuführeinrichtung.
  • Die Brenngaszuführeinrichtung liefert das Brenngas an die Anode der Brennstoffzelle.
  • Als Brenngaszuführeinrichtung kann beispielsweise ein Brennstofftank, wie ein Flüssigwasserstofftank oder ein Druckwasserstofftank, verwendet werden, ohne hierauf beschränkt zu sein.
  • Die Brenngaszuführeinrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. In der Brenngaszuführeinrichtung kann das Ein- und Ausschalten der Brenngaszufuhr zur Brennstoffzelle durch Steuern des Öffnens und Schließens des Hauptabsperrventils der Brenngaszuführeinrichtung entsprechend einem Steuersignal des Controllers gesteuert werden.
  • Das Brenngassystem umfasst einen Brenngaszufuhrströmungsweg. Genauer gesagt kann es sich bei dem Brenngaszufuhrströmungsweg um ein Rohr handeln.
  • Der Brenngaszufuhrströmungsweg verbindet die Brenngaszuführeinrichtung und den Brenngaseinlass der Brennstoffzelle. Über den Brenngaszufuhrströmungsweg kann das Brenngas der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Bei dem Brenngaseinlass kann es sich um die Brenngaszufuhröffnung, den Anodeneinlassverteiler oder ähnliches handeln.
  • Der Brenngaszufuhrströmungsweg umfasst ein drittes Ventil stromaufwärts des Brenngaseinlasses der Brennstoffzelle.
  • Das dritte Ventil kann direkt am Brenngaseinlass der Brennstoffzelle angeordnet sein.
  • Das dritte Ventil kann stromaufwärts von einem Ejektor angeordnet sein.
  • Das dritte Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des dritten Ventils durch den Controller wird das Brenngas aus dem Brenngaszufuhrströmungsweg dem Brenngaseinlass der Brennstoffzelle zugeführt.
  • Im Brenngaszufuhrströmungsweg kann ein Ejektor angeordnet sein.
  • Der Ejektor kann beispielsweise an einer Kreuzung mit einem Zirkulationsströmungsweg auf dem Brenngaszufuhrströmungsweg angeordnet sein. Der Ejektor liefert ein Mischgas, das Brenngas und Zirkulationsgas enthält, an die Anode der Brennstoffzelle. Als Ejektor kann ein herkömmlich bekannter Ejektor verwendet werden.
  • Ein Druckregelventil und ein Mitteldruck-Wasserstoffsensor können in einem Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Ejektor des Brenngaszufuhrströmungswegs angeordnet sein.
  • Das Druckregelventil steuert den Druck des von der Brenngaszuführeinrichtung zum Ejektor gelieferten Brenngases.
  • Das Druckregelventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Druck des dem Ejektor zugeführten Brenngases kann durch Steuern des Öffnens/Schließens, des Öffnungsgrads oder dergleichen des Druckregelventils durch den Controller geregelt werden.
  • Der Mitteldruck-Wasserstoffsensor ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller erfasst den vom Mitteldruck-Wasserstoffsensor gemessenen Brenngasdruck. Der Druck des dem Ejektor zugeführten Brenngases kann durch Steuern des Öffnens/Schließens, des Öffnungsgrads oder dergleichen des Druckregelventils auf Basis des erfassten Drucks gesteuert werden.
  • Das Brenngassystem umfasst einen Brenngasauslassströmungsweg. Genauer gesagt kann es sich bei dem Brenngasauslassströmungsweg um ein Rohr handeln.
  • Der Brenngasauslassströmungsweg verbindet den Brenngasauslass der Brennstoffzelle mit der Außenseite des Brennstoffzellensystems.
  • Im Brenngasauslassströmungsweg kann in einem Bereich zwischen dem Brenngasauslass und der Außenseite des Brennstoffzellensystems ein Gas-Flüssigkeits-Abscheider angeordnet sein.
  • Der Brenngasauslassströmungsweg kann vom Zirkulationsströmungsweg durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider abzweigen.
  • Der Brenngasauslassströmungsweg leitet das vom Brenngasauslass der Brennstoffzelle ausgetragene Brennstoffabgas aus dem Brennstoffzellensystem nach außen ab. Bei dem Brenngasauslass kann es sich um die Brenngasauslassöffnung, den Anodenauslassverteiler oder dergleichen handeln.
  • Der Brenngasauslassströmungsweg kann ein viertes Ventil (ein Ventil für die Ableitung des Brenngases oder ein Ventil für die Ableitung von Gas und Wasser) stromabwärts des Brenngasauslasses der Brennstoffzelle umfassen.
  • Das vierte Ventil kann direkt am Brenngasauslass der Brennstoffzelle angeordnet sein.
  • Das vierte Ventil kann stromabwärts des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders im Brenngasauslassströmungsweg angeordnet sein.
  • Das vierte Ventil ermöglicht die Ableitung des Brennstoffabgases, des Wassers und dergleichen (aus dem System) nach außen. Dabei kann es sich um die Außenseite des Brennstoffzellensystems oder um die Außenseite des Fahrzeugs handeln.
  • Das vierte Ventil kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, und die Durchflussmenge des nach außen abgegebenen Brennstoffabgases sowie die Durchflussmenge des abgegebenen Wassers (Flüssigwassers) können durch Steuern des Öffnens und Schließens des vierten Ventils durch den Controller gesteuert werden. Durch Steuern des Öffnungsgrads des vierten Ventils kann der Druck des der Anode der Brennstoffzelle zugeführten Brenngases (Anodendruck) gesteuert werden.
  • Das Brennstoffabgas kann das Brenngas enthalten, das die Anode ohne Reaktion passiert hat, sowie das an der Kathode erzeugte und der Anode zugeführte Wasser. In einigen Fällen enthält das Brennstoffabgas korrodierte Substanzen, die in der Katalysatorschicht, der Elektrolytmembran oder dergleichen entstanden sind, und das Oxidationsgas oder ähnliches, das der Anode während einer Spülung zugeführt werden darf.
  • Das Brenngassystem kann den Zirkulationsströmungsweg umfassen. Genauer gesagt, kann der Zirkulationsströmungsweg ein Rohr sein.
  • Der Zirkulationsströmungsweg kann den Brenngasauslass der Brennstoffzelle und den Ejektor verbinden.
  • Der Zirkulationsströmungsweg kann vom Brenngasauslassströmungsweg abzweigen und sich mit dem Ejektor verbinden, der im Brenngaszufuhrströmungsweg angeordnet ist, wodurch er sich mit dem Brenngaszufuhrströmungsweg vereinigt.
  • Der Zirkulationsströmungsweg kann vom Brenngasauslassströmungsweg durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider abzweigen und sich mit dem Ejektor verbinden, der im Brenngaszufuhrströmungsweg angeordnet ist, wodurch er sich mit dem Brenngaszufuhrströmungsweg vereinigt.
  • Der Zirkulationsströmungsweg ermöglicht die Rückgewinnung des Brennstoffabgases, d. h. des aus dem Brenngasauslass der Brennstoffzelle abgeleiteten Brenngases, das der Brennstoffzelle als Zirkulationsgas zugeführt wird.
  • Im Zirkulationsströmungsweg kann eine Gasumwälzpumpe angeordnet sein. Die Gasumwälzpumpe zirkuliert das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas. Die Gasumwälzpumpe kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, und die Durchflussmenge des Zirkulationsgases kann durch Steuern von EIN/AUS, Drehzahl usw. der Gasumwälzpumpe durch den Controller gesteuert werden.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider (Anoden-Gas-Flüssigkeits-Abscheider) kann in dem Zirkulationsströmungsweg angeordnet sein.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider kann am Verzweigungspunkt des Brenngasauslassströmungsweg und des Zirkulationsströmungswegs angeordnet sein. Dementsprechend kann der Strömungsweg vom Brenngasauslass zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider der Brenngasauslassströmungsweg oder der Zirkulationsströmungsweg sein.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider ist stromaufwärts des vierten Ventils des Brenngasauslassströmungswegs angeordnet.
  • Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider trennt das Wasser (Flüssigwasser) und das Brenngas, das aus dem Brenngasauslass abgeleitet wird. Dementsprechend kann das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas in den Zirkulationsströmungsweg zurückgeführt werden, oder überflüssiges Gas, Wasser und ähnliches kann durch Öffnen des Gas- und Wasserablassventils des Brenngasauslassströmungswegs nach außen abgeleitet werden. Darüber hinaus wird durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider der Fluss von überschüssigem Wasser in den Zirkulationsströmungsweg unterdrückt. Dementsprechend wird das Einfrieren der Umwälzpumpe oder ähnliches durch das Wasser unterdrückt.
  • Die Temperaturerfassungseinrichtung erfasst die Temperatur der Luft im Inneren des Gehäuses, die aus dem Kühlluftauslass der Brennstoffzelle abgeführt wird.
  • Die Temperaturerfassungseinrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller erfasst die Temperatur der Luft im Gehäuseinneren, die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessen wird.
  • Als Temperaturerfassungseinrichtung kann ein herkömmlich bekannter Temperatursensor, ein Thermometer oder dergleichen verwendet werden.
  • Das Brennstoffzellensystem kann eine Sekundärzelle enthalten.
  • Die Sekundärzelle (Batterie) kann eine beliebige aufladbare und entladbare Batterie sein. Beispielsweise kann es sich um eine herkömmlich bekannte Sekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärzelle und eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle handeln. Die Sekundärzelle kann ein Energiespeicherelement wie einen elektrischen Doppelschichtkondensator enthalten. Die Sekundärzelle kann so aufgebaut sein, dass eine Vielzahl von Sekundärzellen in Reihe geschaltet ist. Die Sekundärzelle versorgt einen Motor, einen Luftkompressor und dergleichen mit Strom. Die Sekundärzelle kann durch eine Stromquelle außerhalb des Fahrzeugs aufgeladen werden. Die Sekundärzelle kann durch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle aufgeladen werden. Das Laden und Entladen der Sekundärzelle kann durch den Controller gesteuert werden.
  • Der Controller umfasst eine Verarbeitungseinheit, wie z. B. eine Zentraleinheit (CPU), eine Speichervorrichtung, wie z. B. einen Festwertspeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle. Das ROM wird zum Speichern eines Steuerprogramms, von Steuerdaten usw. verwendet, die von der CPU verarbeitet werden sollen, und das RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsbereiche für der Steuerverarbeitung verwendet. Der Controller kann eine Steuervorrichtung wie eine elektronische Steuereinheit (ECU) sein.
  • Der Controller kann elektrisch mit einem Zündschalter verbunden sein, der im Fahrzeug angebracht sein kann. Der Controller kann von einer externen Stromquelle betrieben werden, auch wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist.
  • Der Controller überwacht die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Temperatur. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann der Controller die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Temperatur überwachen.
  • Auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur steuert der Controller das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und den Öffnungsgrad derselben.
  • Auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur und des Betriebszustands der Brennstoffzelle wird bestimmt, ob die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht werden muss oder nicht. Im Falle einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur wird durch Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit, wie z.B. einer Jalousie, die Kühlluft im Gehäuse für den Aufwärmvorgang der Brennstoffzelle umgewälzt bzw. zirkuliert.
  • Außerdem ist der Zwischenmodus ein Modus, in dem die Brennstoffzelle auch im Dauerbetrieb in den Zirkulationsmodus versetzt wird, in dem durch teilweises Öffnen der Öffnungs- und Schließeinheit, wie z.B. einer Jalousie, etwas Außenluft angesaugt wird, wodurch die Brennstoffzelle bei einer gewünschten Temperatur betrieben wird.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur unter dem vorbestimmten ersten Temperaturschwellenwert liegt, kann der Controller die Kühlluft im Gehäuse zirkulieren lassen, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise 0% oder mehr und weniger als 5% beträgt.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr ist und weniger als der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert ist, kann der Controller einen Teil der Kühlluft im Gehäuse umwälzen, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise 5% oder mehr und 90% oder weniger beträgt.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, kann der Controller die Kühlluft aus dem Gehäuse nach außen abgeben, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise mehr als 90% und 100% oder weniger beträgt.
  • Der Controller kann den Zirkulationsmodus ausführen, wenn die Innenlufttemperatur niedriger als die geeignete Temperatur ist. Wenn die Innenlufttemperatur innerhalb des geeigneten Temperaturbereichs liegt, kann der Controller den Zwischenmodus ausführen. Wenn die Innenlufttemperatur höher als der geeignete Temperaturbereich ist, kann der Controller den Einwegmodus ausführen.
  • Je nach Bedarf können die vorgegebenen ersten und zweiten Temperaturschwellenwerte in Abhängigkeit vom Zustand der Energieerzeugung und der Leistung der Brennstoffzelle variiert werden.
  • Der erste Temperaturschwellenwert kann z. B. 0°C oder mehr, 10°C oder mehr, 20°C oder mehr, 30°C oder mehr oder 40°C oder mehr betragen.
  • Der zweite Temperaturschwellenwert kann z.B. 80°C oder weniger, 70°C oder weniger, 60°C oder weniger, 50°C oder weniger oder 40°C oder weniger betragen.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem kann einen Außentemperatursensor enthalten.
  • Der Außentemperatursensor erfasst die Außentemperatur.
  • Der Außentemperatursensor ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller erfasst die vom Außentemperatursensor gemessene Außentemperatur.
  • Als Außentemperatursensor kann ein herkömmlich bekannter Temperatursensor, ein Thermometer oder ähnliches verwendet werden.
  • Solange die Außentemperatur gemessen werden kann, kann der Außentemperatursensor außerhalb des Gehäuses oder innerhalb des Gehäuses angeordnet sein.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur unter dem vorbestimmten ersten Temperaturschwellenwert liegt, kann der Controller die Kühlluft im Gehäuse zirkulieren lassen, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise 0 % oder mehr und weniger als 5 % beträgt.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr ist und weniger als der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert ist, kann der Controller einen Teil der Kühlluft im Gehäuse umwälzen, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise 5% oder mehr und 90% oder weniger beträgt.
  • Wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, kann der Controller die Kühlluft aus dem Gehäuse nach außen abgeben, indem er den Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad steuert. Der vorbestimmte Öffnungsgrad kann so gewählt werden, dass der Öffnungsgrad der Öffnungs- und Schließeinheit beispielsweise mehr als 90% und 100% oder weniger beträgt.
  • Je nach Bedarf können die vorgegebenen ersten und zweiten Temperaturschwellenwerte in Abhängigkeit vom Energieerzeugungszustand und der Leistung der Brennstoffzelle variiert werden.
  • Der Controller kann den Zirkulationsmodus ausführen, wenn die Außentemperatur niedriger als ein Referenzwert ist. Wenn die Außentemperatur innerhalb eines Referenzwertbereichs liegt, kann der Controller den Zwischenmodus ausführen. Wenn die Außentemperatur höher als der Referenzwert ist, kann der Controller den Einwegmodus ausführen.
  • Der erste Temperaturschwellenwert kann z. B. -20°C oder weniger, -10°C oder weniger oder 0°C oder weniger betragen.
  • Der zweite Temperaturschwellenwert kann z.B. 10°C oder mehr, 20°C oder mehr oder 30°C oder mehr betragen.
  • Wenn der optimale Betriebszustand der Brennstoffzelle so ist, dass die Temperatur des Kühllufteinlasses 30°C und die Temperatur des Kühlluftauslasses 60°C beträgt, kann die Drehzahl eines Lüfters (des Kühllufttreibers) auf Basis der am Betriebspunkt der Brennstoffzelle erzeugten Wärmemenge auf die Durchflussmenge eingestellt werden, bei der die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Innenlufttemperatur und der Außentemperatur 30°C beträgt.
  • Wenn die Außentemperatur T1 30 °C beträgt, kann die Brennstoffzelle im Einwegmodus betrieben werden, bei dem die Kühlluft nicht umgewälzt wird.
  • Wenn die Außentemperatur T1 beim Start der Brennstoffzelle 0°C beträgt, kann der Betrieb der Brennstoffzelle im Zirkulationsmodus durch Schließen der Jalousie (der Öffnungs- und Schließeinheit) gestartet werden.
  • Wenn die Temperatur im Gehäuse allmählich ansteigt und die Innenlufttemperatur T2 von 0°C auf 60°C ansteigt, kann die Brennstoffzelle durch teilweises Öffnen der Jalousie in den Zwischenmodus geschaltet werden.
  • Wenn das Durchflussmengenverhältnis von Außenluft zur intern zirkulierenden Luft auf 1:1 eingestellt ist, werden die Außenluft (0°C) und die zirkulierende Luft (60°C) im Verhältnis 1:1 gemischt. Dementsprechend steigt die Temperatur des Kühllufteinlasses der Brennstoffzelle auf 30°C und die Temperatur des Kühlluftauslasses der Brennstoffzelle auf 60°C. Auf diese Weise wird die gewünschte Betriebsumgebung erreicht.
  • Wenn die Durchflussmenge der Kühlluft ohne Zirkulation halbiert wird, kann die Temperatur des Kühlluftauslasses 60 °C betragen; die Temperatur der Kühllufteinlassseite der Brennstoffzelle beträgt jedoch 0 °C. Dementsprechend ist der Temperaturunterschied an der Zellenoberfläche groß, es bildet sich eine Pfütze in einem kalten Bereich, die eine Abweichung der Luftdurchflussmenge verursacht, und der Betrieb der Brennstoffzelle ist dementsprechend instabil. Um den Wirkungsgrad der Zirkulation zu erhöhen, können einige der Hilfskomponenten vom Kühlsystem isoliert werden, damit sie nicht erwärmt werden.
  • 1 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, und ist eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Einwegmodus zeigt. In 1 sind das Brenngassystem und die Hilfskomponenten der Einfachheit halber nicht dargestellt.
  • Das in 1 dargestellte luftgekühlte Brennstoffzellensystem umfasst ein Gehäuse 100. Das Gehäuse 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10, ein Luftsystem 20, ein Oxidationsgassystem 30, ein Kühlsystem 40, ein Controller 60, einen Außentemperatursensor T1 und eine Temperaturerfassungseinrichtung T2.
  • Das Luftsystem 20 umfasst das Oxidationsgassystem 30 und das Kühlsystem 40.
  • Das Gehäuse 100 enthält einen Lufteinlass 21, der mit einem Filter ausgestattet ist.
  • Über den Lufteinlass 21 wird Luft angesaugt, die auf das Oxidationsgassystem 30 und das Kühlsystem 40 aufgeteilt wird.
  • Das Oxidationsgassystem 30 umfasst einen Filter 31, eine Reaktionsluftzuführeinrichtung 32, einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg 33 und einen Reaktionsluftauslassströmungsweg 34.
  • Entlang der Luftströmungsrichtung sind der Filter 31 und die Reaktionsluftzuführeinrichtung 32 im Reaktionsluftzufuhrströmungsweg 33 angeordnet.
  • Das Kühlsystem 40 umfasst einen Kühlluftzirkulationsströmungsweg 41, eine Öffnungs- und Schließeinheit 42 und einen Kühllufttreiber 43. Die Öffnungs- und Schließeinheit 42 ist am Luftauslass des Gehäuses 100 angeordnet.
  • Der Außentemperatursensor T1 erfasst die Außentemperatur. Ein Controller (nicht dargestellt) erfasst die vom Außentemperatursensor T1 erfasste Außentemperatur.
  • Die Temperaturerfassungseinrichtung T2 erfasst die Temperatur der Innenluft, die aus dem Kühlluftauslass der Brennstoffzelle 10 austritt. Der Controller (nicht dargestellt) erfasst die von der Temperaturerfassungseinrichtung T2 erfasste Temperatur.
  • Im Einwegbetrieb ist die Öffnungs- und Schließeinheit 42 vollständig geöffnet, um die Kühlluft nach außen abzugeben.
  • 2 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines weiteren Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, und ist eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zirkulationsmodus zeigt. Von den in 2 gezeigten Komponenten sind die gleichen Komponenten wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen und werden hier der Einfachheit halber nicht beschrieben.
  • In dem in 2 gezeigten Zirkulationsmodus ist die Öffnungs- und Schließeinheit 42 vollständig geschlossen, um die Kühlluft innerhalb des Gehäuses 100 zu zirkulieren.
  • 3 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines anderen Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, und ist eine Darstellung, die ein Beispiel für einen Zwischenmodus zeigt. Von den in 3 gezeigten Komponenten sind die gleichen Komponenten wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen und werden hier der Einfachheit halber nicht beschrieben.
  • In dem in 3 gezeigten Zwischenmodus ist die Öffnungs- und Schließeinheit 42 teilweise geschlossen, um einen Teil der Kühlluft innerhalb des Gehäuses 100 zu zirkulieren und den Rest der Kühlluft nach außen abzugeben.
  • 4 ist eine schematische Konfigurationsdarstellung eines weiteren Beispiels des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung, und ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel für den Zirkulationsmodus zeigt. Von den in 4 gezeigten Komponenten sind die gleichen Komponenten wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen und werden hier der Einfachheit halber nicht beschrieben.
  • Im luftgekühlten Brennstoffzellensystem von 4 umfasst ein Luftsystem 20 einen Reaktionslufteinlass 22, der so konfiguriert ist, dass er dem Oxidationsgassystem 30 Luft zuführt, und einen Kühllufteinlass 23, der so konfiguriert ist, dass er dem Kühlsystem 40 Luft zuführt. Sowohl der Reaktionslufteinlass 22 als auch der Kühllufteinlass 23 enthalten einen Filter.
  • Sowohl das Oxidationsgassystem 30 als auch das Kühlsystem 40 saugen über den Filter Luft aus der Umgebung bzw. Atmosphäre an.
  • Das Oxidationsgassystem 30 umfasst einen Filter 31, eine Reaktionsluftzuführeinrichtung 32, einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg 33, einen Reaktionsluftauslassströmungsweg 34, ein erstes Ventil 35 und ein zweites Ventil 36.
  • Im Reaktionsluftzufuhrströmungsweg 33 sind der Filter 31, die Reaktionsluftzuführeinrichtung 32 und das erste Ventil 35 entlang der Luftströmungsrichtung angeordnet.
  • Das zweite Ventil 36 ist im Reaktionsluftauslassströmungsweg 34 angeordnet.
  • In dem in 4 dargestellten luftgekühlten Brennstoffzellensystem sind Hilfskomponenten wie die Reaktionsluftzuführeinrichtung 32, ein Controller 60 und ein Wandler 70 von einem Kühlluftzirkulationsströmungsweg 41 isoliert.
  • 5 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für die Steuerung des luftgekühlten Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung.
  • Der Controller überwacht die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Temperatur während des Betriebs der Brennstoffzelle.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur unter dem vorgegebenen ersten Temperaturschwellenwert liegt, führt der Controller den Zirkulationsmodus aus.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr ist und weniger als der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert ist, führt der Controller den Zwischenmodus aus.
  • Wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, führt der Controller den Einwegmodus aus.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    20
    Luftsystem
    21
    Lufteinlass
    22
    Reaktionslufteinlass
    23
    Kühllufteinlass
    30
    Oxidationsgassystem
    31
    Filter
    32
    Reaktionsluftzuführeinrichtung
    33
    Reaktionsluftzufuhrströmungsweg
    34
    Reaktionsluftauslassströmungsweg
    35
    Erstes Ventil
    36
    Zweites Ventil
    40
    Kühlsystem
    41
    Kühlluftzirkulationsströmungsweg
    42
    Öffnungs- und Schließeinheit
    43
    Kühllufttreiber
    60
    Controller
    70
    Wandler
    100
    Gehäuse
    T1
    Außentemperatursensor
    T2
    Temperaturerfassungseinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2015520500 A [0008]
    • JP 2001015136 A [0008]
    • JP 1990021102 A [0008]
    • JP 2005216783 A [0008]

Claims (3)

  1. Luftgekühltes Brennstoffzellensystem, wobei das luftgekühlte Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle, eine Reaktionsluftzuführeinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie Reaktionsluft an einen Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle liefert, einen Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er die Reaktionsluftzuführeinrichtung und den Reaktionslufteinlass der Brennstoffzelle verbindet, einen Reaktionsluftauslassströmungsweg, der so konfiguriert ist, dass er einen Reaktionsluftauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des luftgekühlten Brennstoffzellensystems verbindet, ein Gehäuse, eine Temperaturerfassungseinrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der von einem Kühlluftauslass abgegebenen Innenluft erfasst, und einen Controller; wobei die Brennstoffzelle eine Struktur hat, bei der ein Reaktionsluftverteiler und ein Kühlluftverteiler unabhängig voneinander sind; wobei das Gehäuse die Brennstoffzelle, die Reaktionsluftzuführeinrichtung, den Reaktionsluftzufuhrströmungsweg, den Reaktionsluftauslassströmungsweg und die Temperaturerfassungseinrichtung aufnimmt; wobei das Gehäuse einen Kühlluftzirkulationsströmungsweg enthält, der so konfiguriert ist, dass er den Kühlluftauslass der Brennstoffzelle und einen Kühllufteinlass der Brennstoffzelle verbindet; wobei der Kühlluftzirkulationsströmungsweg einen Kühllufttreiber enthält, der stromabwärts von dem Kühlluftauslass der Brennstoffzelle angeordnet und so konfiguriert ist, dass er Kühlluft zu dem Kühllufteinlass der Brennstoffzelle liefert; wobei das Gehäuse einen Lufteinlass und einen Luftauslass enthält; wobei eine Druckverlusteinheit sowohl am Lufteinlass als auch an einem Einlass des Reaktionsluftzufuhrströmungswegs angeordnet ist; wobei der Luftauslass eine Öffnungs- und Schließeinheit enthält; und wobei der Controller auf Basis der von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessenen Temperatur das Öffnen und Schließen der Öffnungs- und Schließeinheit und einen Öffnungsgrad derselben steuert.
  2. Luftgekühltes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur niedriger ist als ein vorbestimmter erster Temperaturschwellenwert, die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als einen vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse zirkulieren lässt; wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr und weniger als ein vorbestimmter zweiter Temperaturschwellenwert ist, einen Teil der Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse zirkulieren lässt; und wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass die von der Temperaturerfassungseinrichtung gemessene Innenlufttemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad aus dem Gehäuse nach außen abgibt.
  3. Luftgekühltes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das luftgekühlte Brennstoffzellensystem ferner einen Außentemperatursensor aufweist; wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass eine Außentemperatur niedriger als ein vorbestimmter erster Temperaturschwellenwert ist, die Kühlluft durch Steuein des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf weniger als einen vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse zirkulieren lässt; wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte erste Temperaturschwellenwert oder mehr und weniger als ein vorbestimmter zweiter Temperaturschwellenwert ist, einen Teil der Kühlluft durch Steuein des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf den vorbestimmten Öffnungsgrad in dem Gehäuse zirkulieren lässt; und wobei der Controller, wenn festgestellt wird, dass die Außentemperatur der vorbestimmte zweite Temperaturschwellenwert oder mehr ist, die Kühlluft durch Steuern des Öffnungsgrads der Öffnungs- und Schließeinheit auf mehr als den vorbestimmten Öffnungsgrad aus dem Gehäuse nach außen abgibt.
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