DE10296702T5

DE10296702T5 - Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystemsteuerungsverfahren

Info

Publication number: DE10296702T5
Application number: DE10296702T
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Toyota Nakanishi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: US7887962B2; US20040137293A1; WO2002089241A1; DE10296702B4; JP2002324563A

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte Elektrolytmembran enthält, wobei
sich auf zumindest einem der Separatoren eine Heizeinrichtung befindet und das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle erfolgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Brennstoffzellensystem mit einer festen Hochmolekularmembran als Elektrolytmembran und ein verbessertes Steuerungsverfahren dafür.
STAND DER TECHNIK
Eine Brennstoffzelle, die als Elektrolytmembran eine feste Hochmolekularmembran verwendet, umfasst ein Paar Elektroden, das die feste Hochmolekularmembran von beiden Seiten bedeckt, und ist so gestaltet, dass der Oberfläche der einen Elektrode ein Brennstoffgas wie Sauerstoff und der Oberfläche der anderen Elektrode ein sauerstoffhaltiges Oxidgas zugeführt wird, wodurch elektrische Energie erzielt wird. 5 zeigt in Schrittansicht den Aufbau einer solchen herkömmlichen Brennstoffzelle. In 5 sind auf den jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran 10 eine Anode 12, die eine Wasserstoffelektrode darstellt, und eine Kathode 14 angeordnet, die eine Sauerstoffelektrode darstellt. Auf der Außenfläche der Anode 12 und der Kathode 14 ist außerdem jeweils ein Ladungskollektor 16 vorgesehen, und diese Ladungskollektoren 16 sind dann von einem Paar Separatoren 18 bedeckt.
Um eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit zu erreichen, muss die als Elektrolytmembran verwendete feste Hochmolekularmembran ausreichend Wasser enthalten, um für einen feuchten Zustand zu sorgen. Dementsprechend wurde bislang typischerweise ein Verfahren verwendet, bei dem der der Anode 12 zuzuführende Wasserstoff und das der Kathode 14 zuzuführende Oxidgas, etwa Luft, vor ihrer Zuführung zu der Brennstoffzelle befeuchtet werden. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird der der Anode 12 zugeführte Wasserstoff befeuchtet.
Allerdings kann die oben beschriebene herkömmliche, eine feste Hochmolekularmembran verwendende Brennstoffzelle unter dem sogenannte Überflutungseffekt leiden, bei dem die zur Befeuchtung verwendete Feuchtigkeit in den Poren der als Wasserstoffelektrode dienenden Anode 12 und des Ladungskollektors 16 kondensieret, so dass die Poren verstopft werden und es dadurch wie in 6 gezeigt zu einer ungleichmäßigen Wasserstoffströmung kommt. In diesem Zustand konzentriert sich die Wasserstoffversorgung nur auf bestimmte Bereiche, in denen sich die Stromdichte erhöht, was zu dem Problem führt, dass die Elektrolytmembran 10 reißen kann. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn Luft als das der Kathode 14 zuzuführende Oxidgas befeuchtet wird.
Um diesem Überflutungseffekt entgegenwirken zu können, wird in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-251912 ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein Zuführungsrohr für das der Brennstoffzelle zuzuführende Gas (z.B. Wasserstoff oder Luft) erwärmt wird, um die Kondensation der zur Befeuchtung verwendeten Feuchtigkeit zu verringern.
Wenn das Gaszuführungsrohr erwärmt wird, nimmt jedoch auch die Temperatur des zuzuführenden Gases zu, so dass, wenn das erwärmte Gas mit der Gesamtfläche der festen Hochmolekularmembran in Kontakt kommt, die ganze Membran erwärmt wird und es leicht zu einer Schädigung kommt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der obigen Probleme beim Stand der Technik erbringt die Erfindung den Vorteil, ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren dafür zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, kondensiertes Wasser aus lediglich dem Bereich der Brennstoffzelle zu entfernen, in dem eine Überflutung entsteht, ohne dass es zu einer Schädigung der Elektrolytmembran kommt.
Um diesen Vorteil zu erzielen, sieht die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle vor, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte Elektrolytmembran enthält, wobei sich auf zumindest einem der Separatoren eine Heizeinrichtung befindet und das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle gesteuert wird.
Des Weiteren sind bei dem obigen Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen, von denen jede der obigen Brennstoffzelle entspricht, übereinander geschichtet und befindest sich in jeder Brennstoffzelle die Heizeinrichtung.
Darüber hinaus ist in dem obigen Brennstoffzellensystem eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, um das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich einige der mehreren übereinander geschichteten Brennstoffzellen zu steuern.
Die Erfindung sieht außerdem ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle vor, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte Elektrolytmembran enthält, wobei das Ein- und Ausschalten einer sich auf zumindest einem der Separatoren befindenden Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle gesteuert wird.
Bei dem obigen Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems sind mehrere Brennstoffzellen, von denen jede der obigen Brennstoffzelle entspricht, übereinander geschichtet und befindet sich in jeder Brennstoffzelle die Heizeinrichtung und wird das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich einige der mehreren Brennstoffzellen gesteuert.
Darüber hinaus beträgt bei dem obigen Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems die von der Heizeinrichtung erbrachte Heiztemperatur 100°C oder mehr und 120°C oder weniger.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert, die Folgendes zeigen:
1 ein Beispiel für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 eine erläuternde Darstellung des Falls, dass sich auf dem Separator des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Heizeinrichtung befindet;
3 ein weiteres Beispiel für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei dem mehrere wie in 1 gezeigte Brennstoffzellen zu einem Stapel übereinander geschichtet sind;
4 ein Beispiel einer Spannungserfassung an einem in 3 gezeigten Spannungsüberwachungsabschnitt;
5 ein Beispiel für den Aufbau eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems; und
6 eine erläuternde Darstellung, wie Wasser in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem kondensiert.
AUSFÜHRLICHE ERLÄUTERUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung (im Folgenden einfach als „Ausführungsbeispiele" bezeichnet) beschrieben.
1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 1 sind die gleichen Elemente wie in 5 und 6 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ähnlich wie bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Aufbau als Elektrolytmembran 10 eine feste Hochmolekularmembran verwendet, sind auf den jeweiligen Seiten der Elektrolytmembran 10 eine Anode 12 und eine Kathode 14 angeordnet, befindet sich auf der Außenseite dieser Elektroden jeweils ein Ladungskollektor 16 und sind die Ladungskollektoren 16 wiederum von einem Paar Separatoren 18 bedeckt, was eine Brennstoffzelle 30 ergibt.
Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass dann, wenn in dem Separator 18 und dem Ladungskollektor 16 auf der Seite der Anode 12, der befeuchtetes Gas (d.h. Wasserstoff im Beispiel von 1) zugeführt wird, Wasser kondensiert und eine Überflutung entsteht, ein Schalter 20 geschlossen wird, um einer (nicht gezeigten) Heizeinrichtung auf dem Separator 18 von einer Spannungsquelle 22 aus elektrischen Strom zuzuführen, was den Separator 18 erwärmt. Die Heizeinrichtung kann ein Heizelement sein, das aus beispielsweise einem Nichrom-Draht bestehet. Da die Separatoren 18 voneinander elektrisch unabhängig sind, ist es anstelle dessen auch möglich, die Separatoren 18 selbst durch Energiebeaufschlagung zu erwärmen. Indem also das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend dem Auftreten einer Überflutung in der Brennstoffzelle 30 gesteuert wird, kann in dem Separator 18 entstandenes Kondenswasser rasch entfernt werden, was eine Schädigung oder dergleichen der Elektrolytmembran infolge der erhöhten Stromdichte verhindert.
Ein Brennstoffzellensystem besteht typischerweise aus einem Stapel mehrerer übereinander geschichteter Brennstoffzellen 30, die jeweils einen wie in 1 gezeigten Aufbau haben. Dabei ist es vorzuziehen, wenn ein solches Brennstoffzellensystem so aufgebaut ist, dass lediglich der Separator 18 der Brennstoffzelle 30 erwärmt werden kann, in dem es zu einer Überflutung kommt. Dies verhindert einen übermäßigen Temperaturanstieg des zuzuführenden Wasserstoffgases, wodurch eine Temperaturerhöhung der Elektrolytmembran 10 und damit auch eine thermische Schädigung der Elektrolytmembran 10 verhindert werden können.
2(a) und 2(b) zeigen ein Beispiel, bei dem sich auf dem Separator 18 ein als Heizeinrichtung dienendes Heizelement befindet. Wie in 2(a) gezeigt ist, ist in dem Separator 18 ein Kanal 24 ausgebildet, um den Ladungskollektoren 16, die als eine Gasdiffusionsschicht fungieren, Wasserstoffgas oder Luft zuzuführen. 2(b) entspricht einer Vergrößerung des Abschnitts B des Kanals 24 und zeigt als Heizeinrichtung ein Heizelement 26, das sich in dem Kanal 24 befindet. Das Heizelement 26 ist aus einem Nichrom-Draht oder dergleichen gebildet und wird ein- oder ausgeschaltet, indem die Energiebeaufschlagung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle 30, und zwar der Lage, in wie weit in den Separatoren 18, den Ladungskollektoren 16 usw. Kondenswasser (Überflutung) entstanden ist, gesteuert wird. Wenn der Separator 18 durch ein solches Heizelement 26 erwärmt wird, beträgt die Erwärmungstemperatur vorzugsweise 100°C oder mehr und 120°C oder weniger. Bei einer Temperatur von 100°C oder mehr, kann das Kondenswasser zuverlässig verdampft werden, während sich bei einer Temperatur von 120°C oder weniger eine thermische Schädigung der Elektrolytmembran 10 verhindern lässt. Des Weiteren genügt es im Hinblick auf die Erwärmungsdauer, wenn das kondensierte Wasser ausreichend verdampft, wobei sie vorzugsweise etwa mehrere Sekunden beträgt, um einen übermäßigen Anstieg der Temperatur der Elektrolytmembran 10 zu vermeiden.
3 zeigt ein Beispiel, bei dem mehrere Brennstoffzellen, die jeweils den in 1 gezeigten Aufbau haben, zu einem Brennstoffzellenstapel übereinander geschichtet sind. In 3 ist das Rohr zur Zuführung von Wasserstoffgas und Luft nicht dargestellt.
Gemäß 3 enthält jede Brennstoffzelle 30 als die in den 1, 2(a) und 2(b) beschriebene Heizeinrichtung ein Heizelement 26. Die Energiebeaufschlagung des Heizelementes 26 wird von einem Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 gesteuert. Die Strom erzeugende elektromotorische Kraft jeder Brennstoffzelle wird von einem (nicht gezeigten) Spannungssensor abgefühlt, der für jede Brennstoffzelle vorgesehen ist, und in einem Spannungsüberwachungsabschnitt 34 eingelesen. Mit Hilfe der in dem Spannungsüberwachungsabschnitt 34 eingelesenen elektromotorischen Kraft jeder Brennstoffzelle lässt sich das Ereignis, dass in dem Separator 18 oder dergleichen Wasser kondensiert, bzw. der sogenannte Überflutungseffekt erfassen.
4 zeigt eine Darstellung, die das Prinzip erläutert, wie dieser Überflutungseffekt erfasst wird. In 4 bezeichnet die horizontale Achse den durch jede Brennstoffzelle 30 fließenden elektrischen Strom und die vertikale Achse die elektromotorische Kraft jeder Brennstoffzelle 30. wenn eine Brennstoffzelle 30 normal arbeitet, ohne dass in ihr eine Überflutung entsteht, ergibt sich eine Beziehung zwischen dem Strom I und der elektromotorischen Kraft V, wonach die elektromotorische Kraft wie durch die Kurve α in 4 gezeigt monoton abnimmt. Wenn es dagegen zu einer Überflutung kommt, nimmt die elektromotorische Kraft der Brennstoffzelle 30 von dem Zeitpunkt an, an dem die Überflutung auftritt, wie durch die Kurve β in 4 gezeigt rasch ab. Der Spannungsüberwachungsabschnitt 34 stellt dann fest, dass in der Brennstoffzelle 30, für die ein rascher Abfall der elektromotorischen Kraft erfasst wurde, eine Überflutung entsteht und gibt ein für diese Brennstoffzelle stehendes Signal an den Steuerungsabschnitt 36 aus. Der Steuerungsabschnitt 36 gibt dann ein Befehlssignal zu dem Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 aus, um den Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 anzuweisen, eine Energiebeaufschlagungssteuerung des Heizelementes 26 der Brennstoffzelle 30 vorzunehmen, für die ein wie in 4 gezeigter rascher Abfall der Strom erzeugenden elektromotorischen Kraft erfasst wird. Der Energiebeaufschlagungssteuerungsabschnitt 32 steuert auf Grundlage des von dem Steuerungsabschnitt 32 empfangenen Befehlssignals die Energiebeaufschlagung des Heizelements 26 der Brennstoffzelle 30, in der die Überflutung entsteht, derart, dass das kondensierte Wasser verdampft und die Überflutung beseitigt wird. Wie oben beschrieben wurde, beträgt die Energiebeaufschlagungsdauer ungefähr mehrere Sekunden und die Erwärmungstemperatur 100°C oder mehr und 120°C oder weniger.
Mit dem obigen Aufbau lässt sich rasch erfassen, in welcher Brennstoffzelle 30 eines Brennstoffzellenstapels eine Überflutung entsteht, so dass die Energiebeaufschlagung des als Heizeinrichtung dienenden Heizelementes 26 zwecks Beseitigung der Überflutung lediglich bezüglich eines Teils des Brennstoffzellensystems gesteuert wird, und zwar lediglich bezüglich der Brennstoffzelle 30, in der es zur Überflutung kommt. Demnach lässt sich eine Schädigung der Elektrolytmembran 10 durch die erhöhte Stromdichte verhindern, die sich aus der Konzentration des Wasserstoff- oder Luftstromes in einem bestimmten Abschnitt der Elektrolytmembran ergibt. Insbesondere dann, wenn wie in 3 gezeigt mehrere Brennstoffzellen 30 zu einem Stapel übereinander geschichtet sind und es in einem Teil eines solchen Brennstoffzellenstapels zu einer Überflutung kommt, nimmt die Stromdichte, da der durch den Stapel fließende Strom konstant ist, in dem Abschnitt Brennstoffzelle 30 rasch zu, der den Überflutungseffekt zeigt, wo es kein Wassertropfen bzw. Wasserrückgang (water drop) entsteht. Mit dem obige Aufbau lässt sich dementsprechend sehr wirksam ein Schaden der Elektrolytmembran 10 verhindern.
Da bei dem obigen Aufbau außerdem die Energiebeaufschlagungssteuerung des Heizelementes 26 nur für die Brennstoffzelle 30 vorgenommen wird, in der es zur Überflutung kommt, lässt sich der Temperaturanstieg des Gesamtstapels verringern und kann daher verhindert werden, dass die Elektrolytmembran 10 für eine längere Zeitdauer einer hohen Temperatur ausgesetzt wird. Es kann also eine thermische Schädigung der Elektrolytmembran 10 vermieden werden.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen befindet sich das Heizelement 26 zwar in dem Separator 18 auf der Wasserstoffzufuhrseite, doch kann ein ähnlicher Aufbau auch bei dem Separator 18 auf der Luftzufuhrseite Anwendung finden, um so einem Aufbau Rechnung zu tragen, bei dem Luft, nicht Wasserstoff befeuchtet wird.
Darüber hinaus ist bei einem wie in 3 gezeigten Stapel Brennstoffzellen 30 die Temperatur typischerweise in den Brennstoffzellen 30 an den entgegengesetzten Enden geringer und entsteht dort die Überflutung.
Dementsprechend kann sich das Heizelement 26 auch nur in der Brennstoffzelle 30 am Endabschnitt befinden, in dem eher eine Überflutung stattfindet.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Da sich die Heizeinrichtung wie oben beschrieben erfindungsgemäß in einem Abschnitt einer Brennstoffzelle befindet, in dem, etwa wie in einem Separator, leicht eine Kondensation von Wasser stattfindet, lässt sich das kondensierte Wasser in wirksamer Weise verdampfen, wodurch eine schnelle Beseitigung der Überflutung erreicht wird.
Wenn außerdem mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel übereinander geschichtet werden, ist es möglich, lediglich die Brennstoffzelle selektiv zu erwärmen, in der eine Überflutung entsteht, so dass die Überflutung mit nur minimaler Erwärmung beseitigt werden kann. Dadurch lässt sich verhindern, dass die gesamte Elektrolytmembran für eine längere Zeitdauer einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, was eine thermische Schädigung der Elektrolytmembran verhindert.
Da die von der Heizeinrichtung erbrachte Erwärmungstemperatur zudem in einem Bereich zwischen 100°C und 120°C eingestellt wird, kann das kondensierte Wasser schnell verdampft werden, während eine thermische Schädigung der Elektrolytmembran verhindert werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG
(1)
Die Patentanmeldung befasst sich mit einem Brennstoffzellensystem und einem Steuerungsverfahren dafür, die kondensiertes Wasser lediglich von der Stelle entfernen können, an der eine Überflutung entsteht, ohne die Elektrolytmembran (10) zu schädigen. Die Elektrolytmembran (10), die einer festen Hochmolekularmembran entspricht, ist auf beiden Seiten von einer Anode (12) und einer Kathode (14) bedeckt, die von Kollektoren (16) bedeckt sind. Diese wiederum sind von Separatoren (18) bedeckt, wodurch sich eine Brennstoffzelle (30) ergibt. Auf den Separatoren (18) ist eine Heizeinrichtung angeordnet, deren Schalter (20) geschlossen wird, wenn die Feuchtigkeit zur Befeuchtung der Elektrolytmembran (10) kondensiert, so dass der Heizeinrichtung von einer Stromquelle (22) aus Strom zugeführt wird, damit das kondensierte Wasser verdampft. Dadurch wird die Überflutung rasch beseitigt.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte Elektrolytmembran enthält, wobei sich auf zumindest einem der Separatoren eine Heizeinrichtung befindet und das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle erfolgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem sich die Heizeinrichtung in einem in dem Separator ausgebildeten Kanal befindet, der zur Zufuhr von Gas genutzt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem mehrere Brennstoffzellen, von denen jede dieser Brennstoffzelle entspricht, übereinander geschichtet sind und sich die Heizeinrichtung in jeder Brennstoffzelle befindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei der eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, um das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich einige der mehreren übereinander geschichteten Brennstoffzellen zu steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei der sich die Heizeinrichtung nur in den Brennstoffzellen an den entgegengesetzten Enden eines aus mehreren übereinander geschichteten Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapels befindet.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die eine auf beiden Seiten von einem Paar Separatoren bedeckte Elektrolytmembran enthält, wobei das Ein- und Ausschalten einer sich zumindest auf einem der Separatoren befindenden Heizeinrichtung entsprechend dem Zustand der Brennstoffzelle gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6, bei dem mehrere Brennstoffzellen, von denen jede dieser Brennstoffzelle entspricht, übereinander geschichtet sind und sich die Heizeinrichtung in jeder Brennstoffzelle befindet und das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung für lediglich einige der mehreren Brennstoffzellen gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6, bei dem die von der Heizeinrichtung erbrachte Erwärmungstemperatur 100°C oder mehr und 120°C oder weniger beträgt.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6, bei dem das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung auf Grundlage einer elektromotorischen Kraft der Brennstoffzelle gesteuert wird.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9, bei dem die Heizeinrichtung eingeschaltet wird, wenn die elektromotorische Kraft der Brennstoffzelle rasch abfällt.