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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein zugehöriges Steuerverfahren.
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2. Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Ein
Brennstoffzellenstapel wird gebildet, indem eine Vielzahl von Einheitszellen
gestapelt wird. Jede der Einheitszellen ist so konfiguriert, dass
eine Membranelektrodenanordnung (nachstehend als MEA bezeichnet)
zwischen zwei Separatoren eingelegt ist. Die MEA ist aus einer Elektrolytmembran,
in der Platin als eine katalytische Elektrode bei beiden zugehörigen Oberflächen angebracht
ist, und einem Paar von Gasdiffusionselektroden gebildet, die mit der
Elektrolytmembran schichtenweise angeordnet sind. Die katalytische
Elektrode und die Gasdiffusionselektroden bei einer Oberfläche der
Elektrolytmembran bilden eine Anode, und die katalytische Elektrode
und die Gasdiffusionselektrode auf der anderen Oberfläche bilden
eine Katode. Ein Brennstoffgasdurchgang, durch den Wasserstoffgas
als ein Brennstoffgas zu einer Einheitszelle verteilt wird, ist in
dem Separator gebildet, der der Anode gegenüberliegt, und ein Oxidationsgasdurchgang,
durch den Luft als Oxidationsgas zu der Einheitszelle verteilt wird,
ist in einem Separator gebildet, der der Katode gegenüberliegt.
Ebenso werden auf der Grundlage der Tatsache, dass die Elektrolytmembran üblicherweise
eine gute Protonenleitfähigkeit
in einem feuchten Zustand zeigt, Brennstoffgas und Oxidationsgas zugeführt, nachdem
sie befeuchtet worden sind, so dass die Elektrolytmembran feucht
gehalten wird.
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In
einem Brennstoffzellenstapel dieses Typs wird, wenn ein Stromkreis,
der einen Ausgangsanschluss einer Brennstoffzelle und eine Last
verbindet, geöffnet
wird, ein Phänomen
verursacht, bei dem das Wasserstoffgas bei der Anodenseite durch
die Elektrolytmembran hindurchgeht und die Katodenseite erreicht,
ohne protoniert zu werden, das heißt, eine sogenanntes Querleckage
(cross leak) wird verursacht. Als Ergebnis besteht eine Möglichkeit,
dass eine ausreichende Haltbarkeit beziehungsweise Lebensdauer aufgrund
der Querleckage des Wasserstoffgases nicht erhalten werden kann.
Wenn beispielsweise die Menge des querleckenden Wasserstoffgases
groß ist,
reagiert Wasserstoff direkt mit Sauerstoff bei der Katodenseite,
was eine große Wärmemenge
erzeugt, und die Elektrolytmembran wird aufgrund der Wärme beschädigt. Als
Ergebnis besteht eine Möglichkeit,
dass eine ausreichende Haltbarkeit nicht erreicht werden kann. Folglich
ist zur Verhinderung einer derartigen Querleckage des Wasserstoffgases
ein Verfahren denkbar, bei dem das Wasserstoffgas, das in jeder
der Einheitszellen verbleibt, verbraucht wird, indem eine positive
Elektrode und eine negative Elektrode des Ausgangsanschlusses kurzgeschlossen
werden, nachdem die Zufuhr des Brennstoffgases gestoppt ist.
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Üblicherweise
ist die Verteilung des Brennstoffgases zu jeder der Einheitszellen
jedoch so konfiguriert, dass das Brennstoffgas von einer Brennstoffgasversorgungsquelle
beziehungsweise Brennstoffgaszufuhrquelle durch eine Rohrleitung
zu einem Brennstoffgasversorgungsverteiler beziehungsweise Brennstoffgaszufuhrverteiler
des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, wobei das Brennstoffgas von
dem Verteiler zu jeder der Einheitszellen verteilt wird. Da die
Unterbrechung der Zufuhr des Brennstoffgases durch ein Ventil oder
dergleichen ausgeführt
wird, das in der Gasrohrleitung bereitgestellt ist, verbleibt außerdem eine
beträchtliche
Menge des Brennstoffgases in der Gasrohrleitung und dem Verteiler,
nachdem die Zufuhr des Gases unterbrochen worden ist. Wenn die positive
Elektrode und die negative Elektrode des Ausgangsanschlusses in
diesem Zustand kurzgeschlossen werden, wird eine große Wärmemenge
erzeugt. Folglich bleibt weiterhin ein Problem bezüglich der
Haltbarkeit bestehen. Ebenso besteht ein weiteres Problem, dass
es schwierig wird, eine gute Brennstoffwirtschaftlichkeit, die erhalten
werden soll, zu erhalten, da eine große Brennstoffgasmenge unnötig verbraucht
wird.
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Ein
Aufbau, bei dem eine positive Elektrode und eine negative Elektrode
eines Ausgangsanschlusses kurzgeschlossen werden, wenn ein Betrieb
einer Brennstoffzelle gestoppt wird, ist in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-139221 offenbart.
Ein Gegenstand hiervon ist jedoch, eine Restspannung zu beseitigen,
um einen elektrischen Stoß bzw.
Schock zu verhindern, der während
einer Überprüfung nach
dem Betrieb verursacht wird. Folglich sind eine Verhinderung einer
Querleckage von Wasserstoffgas sowie die Brennstoffwirtschaftlichkeit nicht
berücksichtigt.
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KURZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem,
bei dem ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas einem Brennstoffzellenstapel
zugeführt
werden, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet
ist, und bei dem eine Energieerzeugung durch eine elektrochemische Reaktion
zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidationsgas ausgeführt wird,
einen
Brennstoffgasversorgungsverteiler, der in die Einheitszellenstapelrichtung
ausgedehnt ist und der das Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder
der Einheitszellen verteilt,
eine Schalteinrichtung, die innerhalb
des Brennstoffgasversorgungsverteilers bereitgestellt ist, zum Schalten
zwischen einem Zulassen und einem Verhindern einer Verteilung des
Brennstoffgases zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen,
eine
Lasttrenneinrichtung, die in der Lage ist, den Ausgangsanschluss
des Stapels von der Last zu trennen,
eine Kurzschlusseinrichtung,
die in der Lage ist, die positive Elektrode und die negative Elektrode
des Ausgangsanschlusses des Stapels kurzzuschließen, und
eine Steuereinrichtung
zum Kurzschließen
der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Ausgangsanschlusses
durch die Kurzschlusseinrichtung, nachdem die Verteilung des Brennstoffgases
zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen durch die
Schalteinrichtung verhindert wurde und wenn der Ausgangsanschluss
von der Last durch die Lasttrenneinrichtung getrennt ist.
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Gemäß einem
Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Konfiguration wird,
wenn der Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels von der Last
getrennt ist, der Wasserstoff in jeder der Einheitszellen durch
ein Kurzschließen
der positiven Elektrode und der negativen Elektrode des Ausgangsanschlusses
des Stapels verbraucht, nachdem die Verteilung des Brennstoffgases
zu dem Brennstoffgasdurchgang in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler
verhindert wurde. Folglich kann eine Querleckage von Wasserstoff
verhindert werden. Ebenso wird im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren,
bei dem die Zufuhr des Brennstoffgases in der Gasrohrleitung gestoppt
wird, die außerhalb
des Stapels bereitgestellt ist, eine Verteilung des Brennstoffgases
in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler gestoppt. Folglich ist
im Vergleich zu dem herkömmlichen
Verfahren die Menge des Wasserstoffs, der verbleibt, nachdem die
Verteilung des Brennstoffgases gestoppt wurde, kleiner, die Menge
des Wasserstoffes, die verbraucht wird, wenn die positive Elektrode
und die negative Elektrode des Ausgangsanschlusses kurzgeschlossen
werden, ist kleiner und die Größe der Wärmeerzeugung
ist kleiner. Dementsprechend kann eine Verschlechterung der Haltbarkeit
aufgrund einer zu dem Zeitpunkt eines Kurzschlusses erzeugten Wärme unterdrückt werden
und ein unnötiger
Verbrauch einer großen
Wasserstoffmenge kann vermieden werden. Folglich kann gemäß diesem
Brennstoffzellensystem eine Querleckage verhindert werden, wenn
der Ausgangsanschluss des Stapels von der Last getrennt wird, wobei
eine Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit vermieden
werden kann.
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Als
ein Ergebnis einer sorgfältigen
Untersuchung durch den Erfinder besteht eine Tendenz, dass, wenn
die Elektrolytmembran jeder der Einheitszellen, die den Brennstoffzellenstapel
bilden, trockener wird, oder wenn die Elektroden (Anode und Katode)
feuchter werden, die Menge des querleckenden Wasserstoffs kleiner
wird, wenn der Ausgangsanschluss des Stapels von der Last getrennt wird. Dementsprechend
ist es zu bevorzugen, die Elektroden gleichzeitig mit einer Trocknung
der Elektrolytmembran zu befeuchten, um die Menge des leckenden
Wasserstoffs zu unterdrücken.
Es ist jedoch tatsächlich
schwierig, dies gleichzeitig zu realisieren. Folglich ist eine Untersuchung
vorgenommen worden, um herauszufinden, welcher Trockenzustand und
welcher Feuchtezustand zu einer Unterdrückung der Menge des querleckenden
Wasserstoffs führen, wenn
die Elektrolytmembran und die Elektrode integriert sind. Als Ergebnis
besteht eine Tendenz, dass die Menge des querleckenden Wasserstoffs
kleiner ist, wenn die Elektrolytmembran und die Elektrode trocken
sind, als wenn die Elektrolytmembran und die Elektrode feucht sind.
Folglich ist es zu bevorzugen, die Einheitszelle zu trocknen, um
eine Querleckage von Wasserstoff zu verhindern.
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Darauf
aufbauend ist es vorzuziehen, dass das Brennstoffzellensystem eine
Trocknungseinrichtung zum Trocknen jeder der Einheitszellen umfasst, wobei
die Steuereinrichtung jede der Einheitszellen durch die Trocknungseinrichtung
trocknet, wenn der Ausgangsanschluss von der Last durch die Lasttrenneinrichtung
getrennt ist, und die positive Elektrode und die negative Elektrode
des Ausgangsanschlusses durch die Kurzschlusseinrichtung kurzschließt, nachdem
die Verteilung von Brennstoffgas zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder
der Einheitszellen durch die Schalteinrichtung verhindert wurde.
Somit kann eine Querleckage mit größerer Zuverlässigkeit verhindert
werden, da jede der Einheitszellen getrocknet ist und eine Querleckage
schwierig zu verursachen ist. Auch in dem Fall, dass die Trocknungseinrichtung
nicht bereitgestellt ist, ist es für eine Verhinderung einer Querleckage
von Vorteil, die Einheitszelle durch Wärme, die bei dem Zeitpunkt
eines Kurzschlusses erzeugt wird, relativ trocken zu machen.
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Eine
derartige Trocknungseinrichtung kann eine Einrichtung zur Zufuhr
eines trocknen Oxidationsgases zu dem Stapel sein. Das Oxidationsgas wird
dem Oxidationsgasdurchgang zugeführt,
der bei der Katodenseite bereitgestellt ist. Wasser wird durch eine
elektrochemische Reaktion bei der Katodenseite erzeugt, und das
erzeugte Wasser kann ein Grund für
eine ansteigende Feuchtigkeit sein. Dementsprechend kann die Einheitszelle
wirksam getrocknet werden, indem die Katode aktiv getrocknet wird.
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Abgesehen
davon kann die Schalteinrichtung eine Einrichtung zur Ausführung eines Öffnens und
Schließens
in der Nähe
eines Einlasses des Brennstoffgasdurchgangs jeder der Einheitszellen sein.
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Somit
kann die Menge des Wasserstoffs, der bei dem Zeitpunkt des Kurzschlusses
verbraucht wird, weiter verringert werden, wobei Wärme, die
bei dem Zeitpunkt des Kurzschlusses erzeugt wird, weiter verringert
wird, was für
eine Verhinderung einer Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit
von Vorteil ist.
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Schließlich kann
die Schalteinrichtung ein zylindrisches Ventil, das in der Einheitszellenstapelrichtung
bereitgestellt ist und das einen Öffnungsanschluss bei einer
Position aufweist, bei der der Öffnungsanschluss
mit dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen verbunden
sein kann, und einen Motor umfassen, der die Verteilung des Brennstoffgases
zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen zulässt, indem
das zylindrische Ventil derart positioniert wird, dass der Öffnungsanschluss mit
dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen in Verbindung
steht, und der die Verteilung des Brennstoffgases zu dem Brennstoffgasdurchgang
jeder der Einheitszellen verhindert, indem das zylindrische Ventil
derart positioniert wird, dass der Öffnungsanschluss nicht mit
dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen in Verbindung
steht. In dem Brennstoffzellensystem kann das zylindrische Ventil
konfiguriert sein, als der Brennstoffgasversorgungsverteiler zu
fungieren.
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Somit
kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
relativ einfach realisiert werden.
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Eine
zweite Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Steuerverfahren eines
Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch
6, in dem ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas einem Brennstoffzellenstapel,
der durch ein Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet
ist, zugeführt
werden und eine Energieerzeugung durch eine elektrochemische Reaktion
des Brennstoffgases und des Oxidationsgases ausgeführt wird,
wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode des Ausgangsanschlusses,
wenn der Ausgangsanschluss des Stapels von der Last getrennt wird,
kurzgeschlossen werden, nachdem eine Verteilung des Brennstoffgases
zu dem Brennstoffgasdurchgang jeder der Einheitszellen in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler,
der sich in die Einheitszellenstapelrichtung ausdehnt, verhindert
wurde.
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Gemäß dem vorstehend
beschriebenen Steuerverfahren wird, wenn der Ausgangsanschluss des
Brennstoffzellenstapels von der Last getrennt wird, der Wasserstoff
in jeder der Einheitszellen verbraucht, indem die positive Elektrode
und die negative Elektrode des Ausgangsanschlusses des Stapels kurzgeschlossen
werden, nachdem die Verteilung des Brennstoffgases zu dem Brennstoffgasdurchgang
jeder der Einheitszellen in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler
verhindert wurde. Dementsprechend kann eine Querleckage von Wasserstoff
verhindert werden. Ebenso wird im Gegensatz zu dem herkömmlichen
Verfahren, bei dem die Zufuhr des Brennstoffgases in der Gasrohrleitung,
die außerhalb des
Stapels bereitgestellt worden ist, gestoppt wird, eine Verteilung
des Brennstoffgases in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler gestoppt.
Folglich ist im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren die Menge
des Wasserstoffs, der verbleibt, nachdem die Verteilung des Brennstoffgases
gestoppt ist, kleiner, die Menge des Wasserstoffes, der verbraucht
wird, wenn die positive Elektrode und die negative Elektrode des
Ausgangsanschlusses kurzgeschlossen werden, ist kleiner und die
Größe einer
Wärmeerzeugung
ist kleiner. Dementsprechend kann eine Verschlechterung der Haltbarkeit
aufgrund einer Wärme, die
zu dem Zeitpunkt eines Kurzschlusses erzeugt wird, unterdrückt werden
und ein unnötiger
Verbrauch einer großen
Menge von Wasserstoff kann vermieden werden. Folglich kann gemäß diesem Steuerverfahren
eines Brennstoffzellensystem eine Querleckage verhindert werden,
wenn der Ausgangsanschluss des Stapels von der Last getrennt wird,
wobei eine Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit vermieden
werden kann.
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Darauf
aufbauend kann, wenn der Ausgangsanschluss des Stapels von der Last
getrennt ist, jede der Einheitszellen durch eine Trocknungseinrichtung
getrocknet werden. Zu diesem Zeitpunkt ist es zu bevorzugen, ein
trockenes Oxidationsgas zu verwenden, wenn jede der Einheitszellen
getrocknet wird.
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Somit
wird die Elektrolytmembran, die jede der Einheitszellen bildet,
getrocknet und kommt es schwerlich zu einer Querleckage. Dementsprechend kann
eine Querleckage mit größerer Zuverlässigkeit verhindert
werden.
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Außerdem kann,
wenn der Ausgangsanschluss des Stapels und die Last verbunden sind, das
Brennstoffgas befeuchtet werden, und kann, wenn der Ausgangsanschluss
des Stapels von der Last getrennt sind, dem Brennstoffgasdurchgang
ein trockenes Oxidationsgas zugeführt werden.
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Somit
kann, wenn der Last elektrische Energie zugeführt wird, eine gute Protonenleitfähigkeit beibehalten
werden, da die Elektrolytmembran durch das befeuchtete Brennstoffgas
feucht wird. Unterdessen kann, wenn der Last keine elektrische Energie
zugeführt
wird, die Querleckage mit größerer Zuverlässigkeit
verhindert werden, da die Elektrolytmembran trocken ist und eine
Querleckage schwierig zu verursachen ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist, wenn eine Verteilung des
Brennstoffgases zu dem Brennstoffgasdurchgang verhindert ist, die
Verteilung in der Nähe
des Einlasses des Brennstoffgasdurchgangs verhindert.
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Somit
kann die Menge des Wasserstoffs, der zu dem Zeitpunkt eines Kurzschlusses
verbraucht wird, weiter verringert werden, wobei die zu dem Zeitpunkt
des Kurzschlusses erzeugte Wärmemenge weiter
verringert ist, was für
die Verhinderung einer Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit
von Vorteil ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
vorstehend beschriebenen und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile,
technische sowie industrielle Bedeutungen der Erfindung sind durch
Lesen der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Berücksichtigung
der beigefügten
Zeichnung besser verständlich.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines FC-Stapels (Brennstoffzellenstapels)
des Brennstoffzellensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer in 2 gezeigten
Einheitszelle, 4 ein Flussdiagramm, das eine
Steuerverarbeitung des Brennstoffzellensystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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5 ein
Blockschaltbild, das eine Nachbarschaft eines Gebläses als
ein erstes modifiziertes Beispiel des Ausführungsbeispiels zeigt, und
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6 ein
Beispielsdiagramm, das eine Schalteinrichtung als ein zweites modifiziertes
Beispiel des Ausführungsbeispiels
zeigt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Um
die Erfindung weiter klar zu stellen ist nachstehend ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
In 1 ist ein Blockschaltbild gezeigt, das schematisch
ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel zeigt, in 2 ist
eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels beziehungsweise
FC-Stapels 20 gezeigt, und in 3 ist eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Einheitszelle 210 gezeigt.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst hauptsächlich einen Brennstoffzellenstapel
(nachstehend als ein FC-Stapel bezeichnet) 20 eines Fest-Polyelektrolyt-Typs, eine
erste Unterbrechungseinrichtung 30, die zwischen Ausgangsanschlüssen 25, 26 des
FC-Stapels 20 und einer Last 60 bereitgestellt
ist, eine zweite Unterbrechungseinrichtung 40, die zwischen
den Ausgangsanschlüssen 25, 26 des
FC-Stapels 20 bereitgestellt ist, und eine Steuereinrichtung 50,
die eine Zufuhr eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases
zu dem FC-Stapel 20 steuert und eine Verbindung und eine
Trennung durch die erste Unterbrechungseinrichtung 30 und
die zweite Unterbrechungseinrichtung 40 steuert. Die erste
Unterbrechungseinrichtung 30 dient als eine Lasttrenneinrichtung
zum Trennen der Ausgangsanschlüsse 25, 26 von
der Last 60.
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Der
FC-Stapel 20, der nachstehend ausführlich beschrieben ist, wird
durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 210 gebildet.
In der FC-Zelle 20 wird das Brennstoffgas von einer Brennstoffgasversorgungsquelle 15 zu
einer Brennstoffgasversorgungsverteilereinrichtung beziehungsweise
einem Brennstoffgasversorgungsverteiler M1 zugeführt, wobei das Brennstoffgas,
das durch jede der Einheitszellen 210 hindurchgeht, an
die Außenseite
von einem Brennstoffgasfreigabeverteiler M3 freigegeben wird. Ebenso
wird das Oxidationsgas, das durch eine Befeuchtungseinrichtung 13 befeuchtet
wird, von einem Gebläse 11,
das eine Oxidationsgasversorgungsquelle ist, einem Oxidationsgasversorgungsverteiler
M2 zugeführt,
wobei das Oxidationsgas, das durch jede der Einheitszellen 210 hindurchgeht,
an die Außenseite
von einem Oxidationsgasfreigabeverteiler M4 freigegeben wird. In
diesem Fall ist das Brennstoffgas ein Gas, das reich an Wasserstoff
ist, und das Oxidationsgas ist Luft (die Sauerstoff beinhaltet).
Da eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Sauerstoff in dem
Sauerstoffgas und dem Wasserstoff in dem Brennstoffgas, die dem FC-Stapel 20 zugeführt werden,
stattfindet, wenn der Sauerstoff und der Wasserstoff durch jede
der Einheitszellen 210 hindurchgehen, erzeugt der FC-Stapel 20 elektrische
Energie, wobei eine Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsanschlüssen 25, 26 erzeugt
wird. Beispiele der Brennstoffgasversorgungsquelle 15 sind
ein Reformer, der Wasserstoffgas aus einem Kohlenwasserstofftyp-Brennstoff
(Methanol, Methan, Propan, Benzin oder dergleichen) erzeugt, ein
Hochdruckwasserstoffgaszylinder, ein wasserstoffabsorbierendes Gemisch
oder dergleichen.
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Ebenso
ist innerhalb des FC-Stapels 20 ein zylindrisches Ventil 21 in
die Richtung der Stapelung der Einheitszelle 20 ausgedehnt.
Das zylindrische Ventil 21, das nachstehend ausführlich beschrieben ist,
fungiert als der Brennstoffgasversorgungsverteiler M1, der das Brennstoffgas
zu jeder der Einheitszellen 210 verteilt, und als ein Teil
der Schalteinrichtung zum Zulassen oder Verhindern der Verteilung des
Brennstoffgases zu jeder der Einheitszellen 210. Wenn das
zylindrische Ventil 21 durch einen Motor 22, dem
anderen Teil der Schalt einrichtung, um die Achse gedreht wird und
bei einer Zulassposition zum Zulassen der Verteilung des Brennstoffgases
zu jeder der Einheitszellen 210 positioniert wird, lässt das zylindrische
Ventil 21 die Verteilung des Brennstoffgases zu jeder der
Einheitszellen 210 zu. Unterdessen verhindert das zylindrische
Ventil 21 die Verteilung des Brennstoffgases zu jeder der
Einheitszellen 210, wenn das zylindrische Ventil 21 bei
einer Verhinderungsposition zum Verhindern der Verteilung des Brennstoffgases
positioniert wird.
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Die
erste Unterbrechungseinrichtung 30 verbindet die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 mit der Last 60 oder trennt die
Ausgangsanschlüsse 25, 26 von
der Last 60 in Abhängigkeit
von einer Anregung oder einer Nicht-Anregung eines (nicht gezeigten) Solenoids.
Ein Beispiel der Last 60 ist ein Fahrmotor mit einem Wechselrichter,
beispielsweise in dem Fall eines Elektrofahrzeugs.
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In
der zweiten Unterbrechungseinrichtung 40 schließt ein Kurzschlussschalter 41,
der als ein Teil einer Kurzschlusseinrichtung fungiert, die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 über
einen Widerstand 42 in Abhängigkeit von einer Anregung
oder einer Nicht-Anregung eines (nicht gezeigten) Solenoids, dem
anderen Teil der Kurzschlusseinrichtung, kurz oder nicht.
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Die
Steuereinrichtung 50 ist als ein Mikroprozessor ausgebildet,
in dem eine CPU 51 ein zentraler Abschnitt ist. Zusätzlich zu
der CPU 51 umfasst die Steuereinrichtung 50 ein
ROM 52, das verschiedene Programme speichert, ein RAM 53,
das zeitweilig Daten speichert, einen (nicht gezeigten) Eingangsanschluss,
einen (nicht gezeigten) Ausgangsanschluss und einen (nicht gezeigten)
Kommunikationsanschluss. Ein Lastanforderungssignal wird der Steuereinrichtung 50 von
einer anderen (nicht gezeigten) Steuereinheit über den Eingangsanschluss eingegeben.
Ebenso werden ein Ansteuersignal an das Gebläse 11, die Brennstoffgasversorgungsquelle 15, den
Motor 22 oder dergleichen sowie ein Schaltsteuersignal
zu der ersten Unterbrechungseinrichtung 30, der zweiten
Unterbrechungseinrichtung 40 oder dergleichen von der Steuereinrichtung 50 über den
Ausgangsanschluss ausgegeben.
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Als
nächstes
ist der FC-Stapel 20 beschrieben. Der FC-Stapel 20 wird
durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen 210 gebildet,
wobei dann aufeinanderfolgend Stromsammelplatten 211, 212,
Isolationsplatten 213, 214 und Endplatten 215, 216 an beiden
Enden des Stapels angeordnet sind, wie es in 2 gezeigt
ist. Jede der Stromsammelplatten 211, 212 ist
aus einem gasundurchlässigen
leitenden Element gebildet, wie beispielsweise einem dichten Kohlenstoff
oder einer Stahlplatte, jede der Isolationsplatten 213, 214 ist
aus einem Isolationselement gebildet, wie beispielsweise Gummi oder
Harz, und jede der Endplatten 215, 216 ist aus
einem Metall gebildet, wie beispielsweise Stahl mit einer Steifigkeit. Die
Ausgangsanschlüsse 25, 26 sind
bei den Stromsammelplatten 211 beziehungsweise 212 bereitgestellt.
Einer der Ausgangsanschlüsse 25, 26 ist
die positive Elektrode und der andere ist die negative Elektrode.
Ebenso üben
die Endplatten 215, 216 einen Druck auf den FC-Stapel 20 in
der Einheitszellenstapelrichtung durch eine (nicht gezeigte) Druckvorrichtung
aus, um den FC-Stapel 20 zu halten.
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Die
Einheitszelle 210 ist gebildet, indem ein Separator 230 ein
erstes Dichtelement 240, eine MEA 250, ein zweites
Dichtelement 260 und ein Separator 230 aufeinanderfolgend
in dieser Reihenfolge gestapelt werden, wie es in 3 gezeigt
ist.
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Die
MEA 250 ist eine Membranelektrodenanordnung, in der eine
Elektrolytmembran 251 mit einer Anode 252 und
einer Katode 253 schichtweise angeordnet ist. In diesem
Fall ist die Elektrolytmembran 251 eine Ionenaustauschmembran
(beispielsweise eine Nafion-Membran, die von Dupont hergestellt wird)
eines protonenleitfähigen
Typs, der aus einem festen polymerischen Material gebildet wird,
wie beispielsweise Fluorkohlenstoffharz, und eine gute Protonenleitfähigkeit
im feuchten Zustand zeigt. Bei beiden Oberflächen der Elektrolytmembran 251 sind
katalytische Elektroden ausgebildet, indem Platin oder eine Legierung
aus Platin und einem anderen Metall an beiden Oberflächen der
Elektrolytmembran 251 aufgebracht wird. Außerhalb
der Elektrolytmembran ist ein Paar von Gasdiffusionselektroden bereitgestellt,
die aus einem Kohlenstoffgewebe gebildet sind, das aus einem aus
Kohlenstofffasern gebildeten Faden gewoben wird. Die katalytische
Elektrode und die Gasdiffusionselektrode bei einer Oberfläche bilden
die Anode 252 und die katalytische Elektrode und die Gasdiffusionselektrode
bei der anderen Oberfläche
bilden die Katode 253.
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Der
Separator 230 ist aus einem gasundurchlässigen leitenden Element, wie
beispielsweise einem geformten Kohlenstoff, gebildet, das gebildet wird,
indem Kohlenstoff derart komprimiert wird, dass der Kohlenstoff
gasundurchlässig
wird. Bei diesem Separator 230 ist ein erster konkaver
Abschnitt 231 auf einer Oberfläche bereitgestellt, die der
Anode 252 der MEA 250 gegenüberliegt, wobei ein Brennstoffgasdurchgang 233,
durch den das Brennstoffgas hindurchgeht, in dem ersten konkaven
Abschnitt 231 gebildet ist. Ebenso ist ein zweiter konkaver
Abschnitt 232 bei einer Oberfläche, die der Katode 253 der MEA 250 gegenüberliegt,
bereitgestellt, wobei ein (nicht gezeigter) Oxidationsgasdurchgang,
durch den ein Oxidationsgas hindurchgeht, in dem zweiten konkaven
Abschnitt 232 gebildet ist. Erste bis vierte Durchgangslöcher 235 bis 238 sind
bei vier Ecken des Separators 230 jeweils bereitgestellt.
Das erste Durchgangsloch 235 und das dritte Durchgangsloch 237,
die bei einer Diagonalen angeordnet sind, sind in einem Bereich
bereitgestellt, der sich innerhalb des ersten konkaven Abschnitts 231 und
außerhalb
des zweiten konkaven Abschnitts 232 befindet. Das zweite
Durchgangsloch 236 und das vierte Durchgangsloch 238,
die bei der anderen Diagonalen angeordnet sind, sind in einem Bereich
bereitgestellt, der sich außerhalb
des ersten konkaven Abschnitts 231 und innerhalb des zweiten
konkaven Abschnitts 232 befindet.
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Das
erste Dichtelement 240 ist zwischen der Anode 252 der
MEA 250 und dem Separator 230 bereitgestellt und
weist ein großes
Loch 241, das mit einem Umriss des ersten konkaven Abschnitts 231 übereinstimmt,
sowie zwei kleine Löcher 246, 248 auf,
die mit dem zweiten Durchgangsloch 236 beziehungsweise
dem vierten Durchgangsloch 238 übereinstimmen. Das zweite Dichtelement 260 ist
zwischen der Katode 253 der MEA 250 und dem Separator 230 bereitgestellt
und weist ein großes
Loch 261, das mit einem Umriss des zweiten konkaven Abschnitts 232 übereinstimmt,
sowie zwei kleine Löcher 265, 267 auf,
die mit dem ersten Durchgangsloch 235 beziehungsweise dem
dritten Durchgangsloch 237 übereinstimmen.
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Innerhalb
des FC-Stapels 20 sind der Brennstoffgasversorgungsverteiler
M1, der Brennstoffgasfreigabeverteiler M3, der Oxidationsgasversorgungsverteiler
M2 und der Oxidationsgasfreigabeverteiler M4 ausgebildet.
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Das
zylindrische Ventil 21, das um die Achse gedreht werden
kann, ist in einem zylindrischen Hohlraum eingeführt, der durch Stapeln des
ersten Durchgangslochs 235 des Separators 230,
des großen Lochs 241 des
ersten Dichtelements 240 und des kleinen Lochs 251 des
zweiten Dichtelements 260 in der Einheitszellenstapelrichtung
gebildet ist. Das zylindrische Ventil 21 fungiert als der
Brennstoffgasversorgungsverteiler M1. In dem zylindrischen Ventil 21 ist
eine Vielzahl von Schlitzfenstern 21a entlang der axialen
Richtung bereitgestellt, wie es in 3 gezeigt
ist. Wenn das zylindrische Ventil 21 derart positioniert
wird, dass jedes Schlitzfenster 21a mit dem ersten konkaven
Abschnitt 231 jeder der Einheitszellen 210 in
Verbindung steht, ist eine Verteilung eines Brennstoffgases zu jeder
der Einheitszellen 210 zugelassen (diese Position wird
als eine Zulassposition bezeichnet). Unterdessen wird, wenn das
zylindrische Ventil 21 derart positioniert ist, dass das
Schlitzfenster 21a nicht mit dem ersten konkaven Abschnitt 231 jeder
der Einheitszellen 210 in Verbindung stehen kann, eine
Verteilung von Brennstoffgas zu jeder der Einheitszellen 210 verhindert
(diese Position wird als eine Verhinderungsposition bezeichnet).
Das zylindrische Ventil 21 wird bei der Zulassposition
oder der Verhinderungsposition durch den Motor 22 (unter Bezugnahme
auf 1) positioniert, der bei der Endplatte 216 des
FC-Stapels 20 angebracht ist. Dann geht das Brennstoffgas,
das dem zylindrischen Ventil 21 zugeführt wird, welches bei der Zulassposition
positioniert ist, durch den Brennstoffgasdurchgang 233 hindurch,
der in dem ersten konkaven Abschnitt 231 jeder der Einheitszellen 210 bereitgestellt
ist, es erreicht den Brennstoffgasfreigabeverteiler M3, der durch
Stapeln des dritten Durchgangslochs 237 des Separators 230,
des großen
Lochs 246 des ersten Dichtelements 240 und des
kleinen Lochs 267 des zweiten Dichtelements 260 gebildet
ist, und es wird an die Außenseite
von dem Brennstoffgasfreigabeverteiler M3 freigegeben.
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Der
Oxidationsgasversorgungsverteiler M2 wird durch Stapeln des zweiten
Durchgangslochs 286 des Separators 230, des großen Lochs 261 des zweiten
Dichtelements 260 und des kleinen Lochs 246 des
ersten Dichtelements 240 in der Einheitszellenstapelrichtung
gebildet. Das Oxidationsgas, das dem Oxidationsgasversorgungsverteiler
M2 zugeführt
wird, geht durch einen (nicht gezeigten) Oxidationsgasdurchgang,
der in dem zweiten konkaven Abschnitt 232 bereitgestellt
ist, erreicht den Oxidationsgasfreigabeverteiler M4, der durch Stapeln
des vierten Durchgangslochs 238 des Separators 230, des
großen
Lochs 261 des zweiten Dichtelements 260 und des
kleinen Lochs 248 des ersten Dichtelements 240 in
der Einheitszellenstapelrichtung gebildet ist, und wird an die Außenseite
von dem Oxidationsgasfreigabeverteiler M4 freigegeben.
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Als
nächstes
ist der Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
In 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das eine Zellensteuerverarbeitung
zeigt. Die CPU 51 der Steuereinrichtung 50 liest
ein Zellensteuerprogramm von dem ROM 52 bei jeder vorbestimmten Zeit,
um die Zellensteuerverarbeitung auszuführen. Wenn die Zellensteuerverarbeitung
gestartet ist, bestimmt die CPU 51 zu Beginn, ob die Lastanforderung,
die von einer anderen Steuervorrichtung eingegeben wird, Null ist
(Schritt S100). Wenn die Lastanforderung nicht Null ist, führt die
CPU 51 eine reguläre
Steuerung entsprechend einer Lastanforderung aus (Schritt S150),
wonach die Zellensteuerverarbeitung endet. Bei der regulären Steuerung
entsprechend einer Lastanforderung sind die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 mit der Last 60 durch die erste
Unterbrechungseinrichtung 30 verbunden, wobei der Kurzschlussschalter 41 durch
die zweite Unterbrechungseinrichtung 40 geöffnet ist,
so dass die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 nicht kurzgeschlossen sind, wobei das zylindrische
Ventil 21 durch den Motor 22 bei der Zulassposition
positioniert ist. Wenn das Brennstoffgas und das Oxidationsgas dem
FC-Stapel 20 mit
der Menge, die der Lastanforderung entspricht, zugeführt werden,
wird eine elektrische Energie, die den Zuführungsmengen entspricht, der
Last 60 zugeführt.
Da das befeuchtete Oxidationsgas dem FC-Stapel 20 zugeführt wird,
ist die Elektrolytmembran 251 kontinuierlich feucht, und
eine gute Protonenleitfähigkeit kann
beibehalten werden.
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Unterdessen
werden, wenn die Lastanforderung in Schritt S100 Null ist, die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20,
um einen OCV-Zustand (Open Circuit Voltage beziehungsweise Leerlaufspannungszustand)
zu realisieren, von der Last 60 getrennt, indem die erste
Unterbrechungseinrichtung 30 geöffnet wird, die geschlossen
worden ist (Schritt S110). Als nächstes
wird das zylindrische Ventil 21 von der Zulassposition
bewegt und wird bei der Verhinderungsposition positioniert, indem
der Motor 22 derart angesteuert wird, dass der Einlass
des ersten konkaven Abschnitts 231, das heißt der Abschnitt
in der Nähe
des Einlasses des Brennstoffgasdurchgangs 233 geschlossen
wird (Schritt S120), und die Ansteuerung des Gebläses 11 wird
gestoppt (Schritt S130). Somit wird die Menge des Wasserstoffgases, das
in dem FC-Stapel 20 bei der OCV-Zeit verbleibt, gleich der Kapazität des ersten
konkaven Abschnitts 231 (annähernd die Kapazität des Brennstoffgasdurchgangs 233).
Ebenso wird die Zufuhr des Oxidationsgases gestoppt. Dann wird der
Kurzschlussschalter 41 durch die zweite Unterbrechungseinrichtung 40 geschlossen,
so dass die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 durch einen Widerstand 42 kurzgeschlossen
sind (Schritt S140). Zu diesem Zeitpunkt wird das Wasserstoffgas,
dessen Menge gleich der Kapazität
des ersten konkaven Abschnitts 231 ist, verbraucht, was
eine entsprechende Wärme
erzeugt. Aufgrund dieser Wärmeerzeugung wird
jede der Einheitszellen 210 relativ trocken, was zur Verhinderung
einer Querleckage des Wasserstoffs zu bevorzugen ist. Die Tatsache,
dass die Lastanforderung Null ist, bezeichnet, dass beispielsweise
in dem Fall eines Elektrofahrzeugs das Fahrzeug im Leerlaufzustand
oder dergleichen ist. Wenn eine Sekundärbatterie geladen wird, bezeichnet
die Tatsache, dass die Lastanforderung Null ist, dass die Batterie
vollständig
aufgeladen ist.
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In
dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel, das ausführlich beschrieben
worden ist, wird, wenn die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 von
der Last 60 getrennt werden, der Wasserstoff in jeder der
Einheitszellen 210 durch einen Kurzschluss der Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 verbraucht, nachdem eine Verteilung des Brennstoffgases
zu dem Brennstoffgasdurchgang 233 jeder der Einheitszellen 210 in
dem Brennstoffgasversorgungsverteiler M1 verhindert ist. Folglich
kann eine Querleckage von Wasserstoff verhindert werden. Ebenso
wird im Gegensatz zu dem herkömmlichen
Verfahren, bei dem die Zufuhr des Brennstoffgases in der Gasrohrleitung
gestoppt wird, die außerhalb
des Stapels bereitgestellt ist, die Verteilung des Brennstoffgases
in dem Brennstoffgasversorgungsverteiler M1 gestoppt. Dementsprechend
ist im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren
die Menge des Wasserstoffs, der verbleibt, nachdem die Verteilung
des Brennstoffgases gestoppt ist, kleiner, die Menge des Wasserstoffs,
der verbraucht wird, wenn die Ausgangsanschlüsse 25, 26 kurzgeschlossen
werden, ist kleiner und die Größe einer
Wärmeerzeugung
ist kleiner. Somit kann eine Verschlechterung der Haltbarkeit aufgrund
einer bei dem Zeitpunkt des Kurzschlusses erzeugten Wärme unterdrückt werden
und ein unnötiger
Verbrauch einer großen
Menge von Wasserstoff kann vermieden werden. Folglich kann eine
Querleckage verhindert werden, wenn die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 von der Last 60 getrennt werden,
und eine Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit kann
vermieden werden.
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Ebenso
wird jede der Einheitszellen 210 aufgrund einer Wärme, die
erzeugt wird, wenn die Ausgangsanschlüsse 25, 26 des
FC-Stapels 20 kurzgeschlossen werden, relativ trocken,
was für
die Verhinderung einer Querleckage von Vorteil ist.
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Ferner
kann, da das zylindrische Ventil 21 ein Öffnen und
Schließen
in der Nähe
des Einlasses des Brennstoffgasdurchgangs 233 bei jeder
der Einheitszellen 210 ausführt, die Menge des Wasserstoffs,
die bei dem Zeitpunkt eines Kurzschlusses verbraucht wird, weiter
verringert werden, wobei eine Wärme,
die bei dem Zeitpunkt des Kurzschlusses erzeugt wird, weiter verringert
wird, was für
die Verhinderung einer Verschlechterung der Brennstoffwirtschaftlichkeit
von Vorteil ist.
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Es
ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene
Ausführungsbeispiel begrenzt
ist und dass die Erfindung in verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen
in dem Bereich der Erfindung verwirklicht werden kann.
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Beispielsweise
wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das Oxidationsgas,
das durch die Befeuchtungseinrichtung 13 befeuchtet wird,
dem FC-Stapel 20 von dem Gebläse 11 zugeführt. Wie
es jedoch in 5 gezeigt ist, kann ein Drei-Wege-Ventil 12 zwischen
dem Gebläse 11 und
der Befeuchtungseinrichtung 13 derart bereitgestellt sein,
dass ein nicht befeuchtetes Oxidationsgas von dem Drei-Wege-Ventil 12 dem
FC-Stapel 20 über eine
Umgehungsroute 14 zugeführt
wird, die die Befeuchtungseinrichtung 13 umgeht. Zu der
Zeit einer regulären
Steuerung entsprechend einer Lastanforderung kann die Steuereinrichtung 50 das
Drei-Wege-Ventil 12 derart steuern, dass das Oxidationsgas dem
FC-Stapel 20 von dem Gebläse über die Umgehungsroute 14 zugeführt wird.
Auf diese Weise wird bei der OCV-Zeit und mit dem Gebläse 11,
dem Drei-Wege-Ventil 12 und der Umgehungsroute 14, die
als Trocknungseinrichtung fungieren, ein trockenes Oxidationsgas
dem FC-Stapel 20 zugeführt.
Da das Wasser, das bei der Katode durch eine elektrochemische Reaktion
erzeugt wird, auf wirksame Weise durch das trockene Oxidationsgas
abgeführt
wird, wird jede der Einheitszellen 210 trocken und kommt es
schwerlich zu einer Querleckage.
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Ebenso
wird in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel das zylindrische
Ventil
21 als eine Schalteinrichtung eingesetzt. Wie es
jedoch in
6 gezeigt ist, kann ein Schaltmechanismus
70 eingesetzt werden,
der einen Deckelabschnitt
71 aufweist, der einen Einlass
des Brennstoffgasdurchgangs bei dem zugehörigen Ende schließen kann, sowie
eine Drehwelle
72 bei dem Basisende aufweist. Zu der Zeit
einer regulären
Steuerung entsprechend einer Lastanforderung kann der Deckelabschnitt
71 den
Einlass des Brennstoffgasdurchgangs jeder der Einheitszellen öffnen. Unterdessen
kann bei der OCV-Zeit der Einlass des Brennstoffgasdurchgangs jeder
der Einheitszellen durch den Deckelabschnitt
71 geschlossen
werden, indem eine Drehwelle
72 gedreht wird. In diesem
Fall muss der Deckelabschnitt
71 aus Harz, Gummi oder dergleichen
gebildet sein. Alternativ hierzu kann, wie es in der
japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-312168 offenbart
ist, ein Schiebeschlitz eingesetzt werden. Zu der Zeit einer regulären Steuerung
entsprechend einer Lastanforderung kann der Schlitz den Einlass
des Brennstoffgasdurchgangs jeder der Einheitszellen öffnen. Unterdessen
kann bei der OCV-Zeit der Einlass des Brennstoffgasdurchgangs jeder
der Einheitszellen durch Schieben des Schlitzes geschlossen werden.
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Ferner
kann an Stelle des Motors 22, der in dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel eingesetzt
wird, ein Betätigungselement
beziehungsweise Stellelement verwendet werden, das durch Luftdruck
oder hydraulischen Druck angesteuert wird. Des Weiteren kann zwischen
dem Kurzschlussschalter 41 der zweiten Unterbrechungseinrichtung 40 und
dem Ausgangsanschluss 26 in dem vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiel
ein Erdungsschalter beziehungsweise Masseschalter derart bereitgestellt
werden, dass der Erdungsschalter entsprechend einem Öffnen und
Schließen
des Kurzschlussschalters 41 geöffnet und geschlossen wird.
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Wenn
die Lastanforderung Null ist, trennt die Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems
beide Ausgangsanschlüsse
des FC-Stapels von der Last (Schritt S110). Als nächstes führt die
Steuervorrichtung ein Schließen
in der Nähe
des Einlasses des Brennstoffgasdurchgangs aus (Schritt S120) und stoppt
die Zufuhr des Oxidationsgases (Schritt S130). Somit wird die Menge
des Wasserstoffgases, die in dem FC-Stapel bei der OCV-Zeit verbleibt,
annähernd
gleich zu der Kapazität
des Brennstoffgasdurchgangs. Dann werden beide Ausgangsanschlüsse des
FC-Stapels kurzgeschlossen (Schritt S140). Da das verbleibende Wasserstoffgas
zu diesem Zeitpunkt verbraucht wird, wird danach keine Querleckage
des Wasserstoffs verursacht. Obwohl zu dem Zeitpunkt des Kurzschlusses
Wärme erzeugt
wird, ist ebenso die Menge des verbleibenden Wasserstoffgases kleiner
im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren.
Folglich kann, da die Größe einer
erzeugten Wärme
klein ist, eine negative Wirkung vermieden werden.