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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, die in der
Lage ist, die Durchflussraten von Reaktionsgasen und einem Kühlmittel
zu steuern/regeln.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Allgemein
enthalten Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eine Elektrolytmembran, die
eine PolymerIonenaustauschmembran aufweist. Im speziellen hat die
Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle eine Einheitszelle
(stromerzeugende Einheitszelle), die eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode
und der Kathode angeordneten Elektrolytmembran aufweist. Die Anode
und die Kathode haben jeweils eine Basis, die primär aus Kohlenstoff
hergestellt ist, und eine mit der Basis verbundene Elektroden-Katalysatorschicht
aus einem Edelmetall. Die Membranelektrodenanordnung ist zwischen
Separatoren (bipolaren Platten), deren jeder eine Kühlmittelleitung
enthält,
vorgesehen. Für die
Festpolymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist es typisch, dass
eine Mehrzahl solcher Einheitszellen zu einer Zellenanordnung gestapelt
sind.
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In
der Zellenanordnung wird ein Brennstoffgas, zum Beispiel ein wasserstoffhaltiges
Gas, zur Anode geleitet. Der Katalysator der Anode löst eine chemische
Reaktion des Brennstoffgases aus, um die Wasserstoffmoleküle in Was serstoff-Ionen
(Protonen) und Elektronen zu spalten. Die Wasserstoff-Ionen wandern
durch die Elektrolytmembran in Richtung auf die Kathode, und die
Elektronen wandern durch einen externen Kreis zur Kathode, wodurch
ein Gleichstrom erzeugt wird. Ein sauerstoffhaltiges Gas oder Luft
werden zur Kathode geleitet. An der Kathode reagieren die Wasserstoff-Ionen
von der Anode mit den Elektronen und Sauerstoff, wodurch Wasser
gebildet wird.
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Zur
Verwendung in Fahrzeugen muss die Zellenanordnung einen hohen Ausgangspegel
erzeugen können
und gleichzeitig klein sein. Um diese Anforderung zu erfüllen, wurde
eine Struktur vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von relativ kompakten Einheitszellen
aufweist, die zu einem Stapel verbunden sind.
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Während ihres
Betriebs ist die Zellenanordnung unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt, zum
Beispiel unter einer hohen Last bei einer niedrigen Temperatur,
unter einer hohen Last bei einer hohen Temperatur etc. Eine Einheitszelle
in der Zellenanordnung, die als ein Einlass für Reaktionsgase (ein Brennstoffgas
und ein sauerstoffhaltiges Gas) dient, und eine weitere Einheitszelle
in der Zellenanordnung, die als ein Auslass für Reaktionsgase dient, versagen
gelegentlich bei der Optimierung für solch unterschiedliche Betriebsbedingungen
der Zellenanordnung. Insbesondere ist es wahrscheinlich, dass sich
entlang des Stapels von Einheitszellen eine Temperaturverteilung
entwickelt und dass die relativen Feuchtigkeiten in dem Brennstoffgas
und dem sauerstoffhaltigen Gas dazu neigen zu variieren. Wenn die
Elektrolytmembran wegen eines Temperaturanstiegs aufgrund einer
solchen Temperaturverteilung und Variation der relativen Feuchtigkeiten
trocken wird, werden die Wasserstoff-Ionen in der Elektrolytmembran
an einer Bewegung gehindert und sorgen daher für einen Widerstand, der das
Stromerzeugungsvermögen
der Zellenanordnung herabsetzt. Wenn die relative Feuchtigkeit in
dem sauerstoffhaltigen Gas ansteigt, erzeugt die Kathode bedingt
durch die relative Feuchtigkeit und Wasser, das bei der elektrochemischen
Reaktion gebildet wird, überschüssiges Wasser,
wo durch eine Wasserkondensation und eine Wasseranstauung in der
Gasleitung verursacht werden, die den Durchfluss des sauerstoffhaltigen
Gases behindert. In der Folge wird die Kathode weniger reaktionsfähig, wodurch
auch das Stromerzeugungsvermögen
der Zellenanordnung herabgesetzt wird.
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Aus
der
DE 199 30 876
A1 geht ein Verfahren zur dynamischen Regelung und zur
Steuerung eiens Brennstoffzellensystems hervor, das aus einer Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
und einer Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
besteht. In dem Verfahren werden in einem repräsentativen Bereich eines Gasversorgungs-
oder Entsorgungskanals die Temperatur und Zusammensetzung des Prozessgases
und damit auch die Feuchtigkeit über
eine Einstell-Vorrichtung gemessen, geregelt und gesteuert. Dort
wird nicht explizit erwähnt,
in welcher Weise die Brennstoffzellen hinsichtlich ihrer Gasversorgungs-
und Entsorgungsleitungen miteinander verbunden sind.
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Aus
der
DE 199 62 681
A1 ist eine Brennstoffzellenanlage mit zumindest einer
Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle und einer
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle bekannt, deren Kühl- und
Luftleitungen zwischen den Brennstoffzellen in Reihe geschaltet
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu
stellen, die in der Lage ist, eine Durchflussmenge von Reaktionsgasen
und eine Durchflussmenge eines Kühlmittels
zu steuern/regeln, um dadurch den Betrieb einer Zellenanordnung abhängig von
Bedingungen, die eine Last, eine Temperatur etc. einschließen, zu
optimieren.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Brenstoffzelle gemäß Anspruch 1 angegeben.
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Die
Brennstoffzelle hat Zellenanordnungen, deren jede eine Mehrzahl
von Einheitszellen umfasst. Die Zellenanordnungen haben Reaktionsgasleitungen
und Kühlmittelleitungen,
die darin zumindest teilweise definiert sind und zwischen den Einheitszellen
miteinander in Reihe geschaltet sind. Eine Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung
zum Hindurchleiten eines Brennstoffgases erstreckt sich zwischen
den Einheitszellen und steht mit Brennstoffgasleitungen der Reaktionsgasleitungen
in Verbindung, und ein Brennstoffgas-Einstellmechanismus ist mit
der Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung verbunden. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus steuert/regelt
die Durchflussrate und -richtung des Brennstoffgases zwischen den
Einheitszellen, um Schwankungen der Temperatur und relativen Feuchtigkeit
des Brennstoffgases in jeder der Einheitszellen zu unterdrücken. Dadurch
wird verhindert, dass die Reaktionsgasleitungen eine Wasserkondensation
und eine Wasseranstauung aufgrund einer Trocknung von oder Überschusswasser
in Elektrolytmembranen in den Einheitszellen entwickeln. Als Ergebnis
wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert
und beschleunigt, für
eine erhöhte
Produktivität
der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
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Die
Brennstoffzelle hat auch eine Auslass-/Einlassleitung für sauerstoffhaltiges
Gas zum Hindurchleiten von sauerstoffhaltigem Gas, die sich zwischen
den Einheitszellen erstreckt und mit Leitungen für sauerstoffhaltiges Gas der
Reaktionsgaskanäle
in Verbindung steht, und ein Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges
Gas ist mit der Auslass-/Einlassleitung für sauerstoffhaltiges Gas verbunden.
Der Einstellmechanismus für
sauerstoffhaltiges Gas steuert/regelt die Durchflussrate und -richtung
des sauerstoffhaltigen Gases. Da das Steuern/Regeln der Durchflussrate
und -richtung des sauerstoffhaltigen Gases auch zur Unterdrückung von Schwankungen
der Temperatur und relativen Feuchtigkeit des sauerstoffhaltigen
Gases in jeder der Einheitszellen wirksam ist, werden die Reaktionsgasleitungen
an einer Entwicklung von Wasserkondensation und Wasseranstauung
bedingt durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser in Elektrolytmembranen gehindert.
Folglich wird eine elektrochemische Reaktion in jeder Einheitszelle
stabilisiert und beschleunigt, für
eine erhöhte
Produktivität
der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
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Die
Brennstoffzelle enthält
ferner eine Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung,
die sich zwischen den Einheitszellen erstreckt und mit den Kühlmittelleitungen
in Verbindung steht. Ein Kühlmittel-Einstellmechanismus
ist mit der Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung
verbunden, zum Steuern/Regeln der Durchflussrate und -richtung des
Kühlmittels,
um die Temperatur in der Richtung des Stapels der Einheitszellen
zu vereinheitlichen und dadurch die Reaktionsgasleitungen an der
Entwicklung einer Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt
durch eine Trocknung von oder überschüssiges Wasser
in Elektrolytmembranen zu hindern. Das Ergebnis ist, dass eine elektrochemische
Reaktion in jeder Einheitszelle stabilisiert und beschleunigt wird,
für eine
erhöhte Produktivität der Brennstoffzelle
bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
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In
der Brennstoffzelle sind zumindest zwei Einheitszellen der Zellenanordnungen
nebeneinander angeordnet. Da zumindest einige der Einheitszellen
nebeneinander angeordnet sind, sind nachteilige Wirkungen, die die
Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der Zellenanordnungen
aufeinander haben, viel geringer als bei Einheitszellen, die zu
einem Stapel zusammengeschlossen sind. Deshalb werden die elektrochemischen
Reaktionen in den Einheitszellen mehr stabilisiert und beschleunigt,
für eine
noch weitere Erhöhung
der Produktivität
der Brennstoffzelle bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang
mit den anliegenden Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiel dargestellt ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung einer Brennstoffzelle
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Brennstoffgas-Einstellmechanismus
der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle
unter mittleren und hohen Lasten zu betreiben;
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Einstellmechanismus
für sauerstoffhaltiges
Gas der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle
unter mittleren und hohen Lasten zu betreiben;
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Brennstoffgas-Einstellmechanismus der
Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle unter
einer niedrigen Last zu betreiben;
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5 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Einstellmechanismus
für sauerstoffhaltiges
Gas der Brennstoffzelle, der eingestellt ist, um die Brennstoffzelle
unter einer niedrigen Last zu betreiben;
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6 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Brennstoffgas-Einstellmechanismus der
Brennstoffzelle, der für
einen Warmlaufbetrieb der Brennstoffzelle zur Zeit eines Starts
eingestellt ist;
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7 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises des Einstellmechanismus
für sauerstoffhaltiges
Gas der Brennstoffzelle, der für
einen Warmlaufbetrieb zur Zeit eines Starts eingestellt ist; und
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8 ist
ein schematisches Diagramm eines Fluidkreises eines Kühlmittel-Einstellmechanismus der
Brennstoffzelle.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
in einem schematischen Querschnitt eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Wie
in 1 gezeigt ist, umfasst die Brennstoffzelle 10 eine
erste Zellenanordnung 12 und eine zweite Zellenanordnung 14.
Die erste Zellenanordnung 12 dient als eine hinsichtlich
der durch den Pfeil A angegebenen Richtung, in der ein sauerstoffhaltiges
Gas (ein Reaktionsgas) und ein Kühlmittel
strömen,
stromaufwärtige
Zellenanordnung, und die zweite Zellenanordnung 14 dient
als eine hinsichtlich der Richtung, in der das sauerstoffhaltige
Gas und das Kühlmittel
strömen,
stromabwärtige
Zellenanordnung.
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Die
erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 haben
eine erste bzw. zweite Membranelektrodenanordnung 18, 20.
Die erste und die zweite Membranelektrodenanordnung 18, 20 haben
jeweilige Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b und
jeweilige Anoden 24a, 24b und jeweilige Kathoden 26a, 26b,
zwischen denen die Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b aufgenommen
sind. Die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a umfasst eine
Niedrigtemperatur-Elektrolytmembran (zum Beispiel eine HC (Kohlenwasserstoff)-Membran),
und die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b umfasst eine
Hochtemperatur-Elektrolytmembran (z.B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran).
Die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a hat ein Stromerzeugungsvermögen, das äquivalent
zu dem Stromerzeugungsvermögen
der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b ist, bei einer Temperatur,
die niedriger als die der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b ist.
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Jede
der Anoden 24a, 24b und der Kathoden 26a, 26b umfasst
eine Basis, die primär
aus Kohlenstoff hergestellt ist, und eine Elektroden-Katalysatorschicht
aus einem Edelmetall, die mit der Basis verbunden ist. Jede der
Anoden 24a, 24b und der Kathoden 26a, 26b hat
an ihrer Oberfläche
ein poröses Kohlepapier
oder dergleichen, das als eine poröse Schicht dient.
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In
der ersten Membranelektroden-Anordnung 18 weist die Kathode 24a in
der durch den Pfeil C1 angegebenen Richtung nach oben, und die Anode 26a weist
in der durch den Pfeil C2 angegebenen Richtung nach unten. In der
zweiten Membranelektrodenanordnung 20 weist die Anode 26b in
der durch Pfeil C1 angegebenen Richtung nach oben, und die Kathode 24b weist
in der durch den Pfeil C2 angegebenen Richtung nach unten.
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Erste
Separatoren 28a, 28b sind jeweils an den Kathoden 24a, 24b der
ersten und der zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 vorgesehen. Zweite
Separatoren 30a, 30b sind jeweils an den Anoden 26a, 26b der
ersten und der zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 vorgesehen.
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Die
erste Zellenanordnung 12 hat eine zwischen dem ersten Separator 28a und
der Kathode 24a der ersten Membranelektrodenanordnung 18 definierte
und sich in der durch den Pfeil A angegebenen Richtung erstreckende
erste Leitung 38 für
sauerstoffhaltiges Gas. Die erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges
Gas steht mit einer Verbindungsleitung für sauerstoffhaltiges Gas (Auslass-/Einlassleitung für sauerstoffhaltiges
Gas) 40 in Verbindung und ebenfalls mit einer zweiten Leitung 42 für sauerstoffhaltiges
Gas, die zwischen der Kathode 24b und dem ersten Separator 28b der
zweiten Membranelektrodenanordnung 20 der zweiten Zellenanordnung 14 definiert
ist.
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Die
erste Leitung 38 für
sauerstoffhaltiges Gas, die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas
und die zweite Leitung 42 für sauerstoffhaltiges Gas sind über eine
Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges
Gas und eine Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges
Gas durch die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in
Reihe geschaltet. Die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas
ist mit einem später
zu beschreibenden Einstellmechanismus für sauerstoffhaltiges Gas (Reaktionsgas-Einstellmechanismus) 78 (siehe 3)
zum Steuern/Regeln der Temperatur, relativen Feuchtigkeit und Durchflussrate
des sauerstoffhaltigen Gases verbunden.
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Der
Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas ist über die
Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges
Gas und die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges
Gas durch eine Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas mit
der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
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Die
zweite Zellenanordnung 14 hat eine erste Brennstoffgasleitung 44,
die zwischen der Anode 26b und dem zweiten Separator 30b der
zweiten Membranelektrodenanordnung 20 vorgesehen ist und
sich in der durch den Pfeil B angegebenen Richtung erstreckt. Die
erste Brennstoffgasleitung 44 steht mit einer Brennstoffgas-Verbindungsleitung (Brennstoffgas-Auslass-/Einlassleitung) 46 in
Verbindung und ebenso mit einer zweiten Brennstoffgasleitung 48,
die zwischen der Anode 26a und dem zweiten Separator 30a der
ersten Membranelektrodenanordnung 18 der ersten Zellenanordnung 12 definiert ist.
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Die
erste und zweite Brennstoffgasleitung 44, 48 und
die erste und zweite Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges
Gas sorgen für
jeweilige Gegenströmungen
entlang der einander gegenüberliegenden
Oberflächen
der ersten und zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20.
Die erste Brennstoffgasleitung 44, die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 und
die zweite Brennstoffgasleitung 48 sind über eine Brennstoffgas-Abführöffnung 60b und
eine Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a durch
die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in Reihe
geschaltet. Die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 ist
mit einem später
zu beschreibenden Brennstoffgas-Einstellmechanismus (Reaktionsgas-Einstellmechanismus) 76 (siehe 2)
zum Steuern/Regeln der Temperatur, relativen Luftfeuchtigkeit und
Durchflussrate eines Brennstoffgases (eines Reaktionsgases) verbunden.
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Der
Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 ist über die
Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a und
die Brennstoffgas-Abführöffnung 60b durch
eine Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 mit der ersten
Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
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Der
zweite Separator 30a der ersten Zellenanordnung 12 hat
eine erste Kühlmittelleitung 50 in einem
Gegenströmungsverhältnis zu
der zweiten Brennstoffgasleitung 48. Die erste Kühlmittelleitung 50 steht
mit einer Kühlmittel-Verbindungsleitung (Kühlmittel-Auslass-/Einlassleitung) 52 in
Verbindung und ebenso mit einer zweiten Kühlmittelleitung 54 in einem
Parallelströmungsverhältnis zu
der zweiten Leitung 42 für sauerstoffhaltiges Gas des
ersten Separators 28b.
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Die
erste Kühlmittelleitung 50,
die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 und
die zweite Kühlmittelleitung 54 sind über eine
Kühlmittel-Abführöffnung 64b und
eine Kühlmittel-Zuführöffnung 64a durch
die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 in
Reihe geschaltet. Die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 ist
mit einem später
zu beschreibenden Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 (siehe 8)
zum Steuern/Regeln der Temperatur und Durchflussrate des Kühlmittels
verbunden. Der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 ist über die
Kühlmittelgas-Zuführöffnung 64a und
die Kühlmittel-Abführöffnung 64b durch
eine Kühlmittelgas-Zirkulationsleitung 36 mit
der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 als
die erste Membranelektrodenanordnung 18 und die zweite
Membranelektrodenanordnung 20 jeweils in sich enthaltend
beschrieben. Tatsächlich
aber bilden die erste Membranelektrodenanordnung und die zweite
Membranelektrodenanordnung 18, 20 abhängig von
einer Ausgangsspannung, die die Brennstoffzelle 10 erzeugen
muss, eine die Leitungen 38, 48, 50 und 42, 44, 54 und
die Separatoren 28a, 30a und 28b, 30b enthaltende
Einheitszelle, deren mehrere zu Zellenanordnungen 12, 14,
die als Brennstoffzelle 10 verwendet werden, gestapelt
sind.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 als
im wesentlichen in der horizontalen Richtung nebeneinander angeordnet
dargestellt. Jedoch sind die erste Zellenanordnung 12 und
die zweite Zellenanordnung 14 nicht auf eine solche Anordnung
beschränkt,
sondern können
auch in der senkrechten Richtung zu einem Stapel zusammengeschlossen
sein.
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Die
Zirkulationsleitungen 32, 34, 36 und
die Verbindungsleitungen 40, 46, 52 weden
durch einen Rohrleitungsmechanismus zur Verfügung gestellt, der allgemeine
Röhren
oder Rohre aufweist. Es kann sein, dass die Brennstoffzelle 10 keinen
Rohrleitungsmechanismus, sondern die erste Zellenanordnung 12 und
die zweite Zellenanordnung 14 aufweist, die als Alternative
zu einem Rohrleitungsmechanismus durch darin definierte Leitungen
miteinander verbunden sind.
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Der
Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76, der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas
und der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 der Brennstoffzelle 10 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
werden nachstehend beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 eine
Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34, die mit der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b der
ersten Zellenanordnung 12 und der Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a der zweiten
Zellenanordnung 14 verbunden ist, eine Brennstoffgaspumpe 90 zum
Zirkulieren des Brennstoffgases durch die Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34,
einen Brennstofftank 92 zum Lagern des Brennstoffgases,
welches ein wasserstoffhaltiges Gas oder dergleichen sein kann,
einen Separator 94 zum Trennen von Wasserstoff, Wasser
und sauerstoffhaltiger Luft in dem Brennstoffgas und einen ersten
Befeuchter 100 zum Befeuchten des Brennstoffgases.
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Der
Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 weist auch eine Strudelpumpe 102 auf
zum Zuführen des
Brennstoffgases aus dem Brennstofftank 92 unter einem Unterdruck
abhängig
von der Durchflussrate des die Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 durchströmenden Brennstoffgases,
richtungsabhängige
Steuer-/Regelventile 104, 106, 108, wie
beispielsweise magnetbetätigte
Ventile oder dergleichen, zum Wählen
der Durchgänge
in der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 und ein Entleerventil 110 zum
Ableiten von in dem Brennstoffgas enthaltenem Wasser und Luft aus
dem Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 umfasst
ferner einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung
einer Temperatur, einer Feuchtigkeit und eines Drucks und einen
Regler zum Einstellen des Drucks eines Brennstoffgasflusses (alle
nicht dargestellt). Die Strahlpumpe 102 kann zum Beispiel
durch einen Regler und eine Bypassleitung desselben ersetzt werden,
wenn das Brennstoffgas durch die Brennstoffgaspumpe 90 ausreichend
zirkuliert wird.
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Wie 3 zeigt,
umfasst der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas eine
Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas, die
mit der Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges
Gas der ersten Zellenanordnung 12 und der Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges
der zweiten Zellenanordnung 14 verbunden ist, einen Luftkompressor
(A/C) 112 zum Erzeugen von Druckluft und einen Vorverdichter (S/C) 114,
mit dem ein Motor (nicht gezeigt) gekoppelt ist.
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Der
Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas hat
auch einen zweiten Befeuchter 116 (der auch als der in 2 gezeigte
erste Befeuchter 100 verwendet werden kann) zum Befeuchten
des Brennstoffgases mit dem Wasser, das durch eine Membran oder
dergleichen aus dem sauerstoffhaltigen Gas absorbiert wurde, einen
dritten Befeuchter 118 zum Befeuchten des sauerstoffhaltigen
Gases in einer stromaufwärtigen
Region mit dem Wasser, das durch eine Membran oder dergleichen aus
dem sauerstoffhaltigen Gas absorbiert wurde, einen Regler 119 zum
Einstellen des Drucks eines Durchflusses von sauerstoffhaltigem
Gas und richtungsabhängige Steuer-/Regelventile
wie beispielsweise magnetbetätigte
Ventile oder dergleichen zum Wählen
der Durchgänge
in der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas. Die
Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges Gas enthält ferner
einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung einer Temperatur,
einer Feuchtigkeit und eines Drucks etc. (alle nicht dargestellt).
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Wie 8 zeigt,
umfasst der Kühlmitteleinstellmechanismus 80 eine
schleifenförmig
ausgebildete Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36,
die mit der Kühlmittel-Zuführöffnung 64a der
ersten Zellenanordnung 12 und der Kühlmittel-Abführöffnung 64b der
zweiten Zellenanordnung 14 verbunden ist, eine Pumpe 126 zum
Zirkulieren des Kühlmittels
durch die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36,
einen mit dem Auslass der Pumpe 126 verbundenen Kühler 128 und Thermoventile 130, 132, 134,
deren jedes eine richtungsabhängige
Steuerungs-/Regelungsfunktion oder eine Durchflussraten- Einstellfunktion
und eine Temperaturerfassungsfunktion hat. Die Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36 enthält ferner
einen Durchflussmesser, Erfassungsmechanismen für die Erfassung einer Temperatur,
einer Feuchtigkeit und eines Drucks etc. (alle nicht gezeigt).
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Die
Brennstoffzelle 10 ist mit einer Steuer-/Regeleinheit (nicht
gezeigt) kombiniert, zum Steuern/Regeln der Brennstoffzelle 10,
die den Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76, den Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges
Gas und den Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 enthält.
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Die
Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ist grundsätzlich
wie vorstehend beschrieben konstruiert. Die Betriebsweise und Vorteile
der Brennstoffzelle 10 werden nachstehend hinsichtlich
eines Verfahrens zum Steuern/Regeln von Reaktionsgasdurchflüssen und
eines Verfahrens zum Steuern/Regeln einer Kühlmitteltemperatur beschrieben.
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Die
allgemeine Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 wird nachstehend
zunächst
mit Bezug auf 1 erläutert.
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Die
erste Zellenanordnung 12 wird über die Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges
Gas von einem Ende der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges
Gas mit sauerstoffhaltigem Gas oder Luft versorgt, und die zweite
Zellenanordnung 14 wird über die Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a von
einem Ende der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 mit dem
Brennstoffgas versorgt, welches ein wasserstoffhaltiges Gas oder
dergleichen sein kann. Der ersten Zellenanordnung 12 wird über die
Kühlmittel-Zuführöffnung 64a von
einem Ende der Kühlmittel-Zirkulationsleitung 36 auch
das Kühlmittel
zugeleitet, welches Ethylen, Glykol oder Öl sein kann.
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Der
Sauerstoff des in die erste Zellenanordnung 12 geleiteten
sauerstoffhaltigen Gases wird verbraucht, um durch eine elektrochemische
Reaktion mit dem Brennstoffgas Strom zu erzeugen. Das sauerstoffhaltige
Gas, dessen Sauerstoff zum Teil in der ersten Zellenanordnung 12 verbraucht
wurde, wird durch die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges Gas
abgeführt
und dann durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges
Gas zu der Zuführöffnung 62a für sauerstoffhaltiges
Gas der zweiten Zellenanordnung 14 geleitet. Der Sauerstoff
des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten sauerstoffhaltigen
Gases wird verbraucht, um durch eine elektrochemische Reaktion mit
dem Brennstoffgas Strom zu erzeugen, und wird danach durch die Abführöffnung 62b für sauerstoffhaltiges
Gas in das andere Ende der Zirkulationsleitung 32 für sauerstoffhaltiges
Gas abgeführt.
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Der
Brennstoff (Wasserstoff) des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten
Brennstoffgases wird verbraucht, um durch die elektrochemische Reaktion
mit dem sauerstoffhaltigen Gas Strom zu erzeugen. Das Brennstoffgas,
dessen Brennstoff (Wasserstoff) in der zweiten Zellenanordnung 14 zum
Teil verbraucht wurde, wird von der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b abgeführt und
dann durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 zur
Brennstoffgas-Zuführöffnung 60a der
ersten Zellenanordnung 12 geleitet. Der Brennstoff (Wasserstoff)
des in die erste Zellenanordnung 12 geleiteten Brennstoffgases wird
verbraucht, um durch die elektrochemische Reaktion mit dem sauerstoffhaltigen
Gas Strom zu erzeugen, und wird danach von der Brennstoffgas-Abführöffnung 60b in
das andere Ende der Brennstoffgas-Zirkulationsleitung 34 abgeführt.
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Das
in die erste Zellenanordnung 12 geleitete Kühlmittel
wird verbraucht, um die erste Zellenanordnung 12 zu kühlen, und
wird dann von der Kühlmittel-Abführöffnung 64b abgeführt. Das
von der Kühlmittel-Abführöffnung 64b abgeführte Kühlmittel wird
durch die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 zur Kühlmittel-Zuführöffnung 64a der
zweiten Zellenanordnung 14 geleitet. Das der zweiten Zellenanordnung 14 zugeführte Kühlmittel
wird verbraucht, um die zweite Zellenanordnung 14 zu kühlen, und
wird anschließend
von der Kühlmittel-Abführ öffnung 64b in
das andere Ende der Kühlmittelgas-Zirkulationsleitung 36 abgeleitet.
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Der
bei Speisung der ersten Zellenanordnung 12 und der zweiten
Zellenanordnung 14 mit dem Brennstoffgas und dem sauerstoffhaltigen
Gas erzeugte elektrische Strom wird über eine Stromklemme (nicht
gezeigt) zu einem externen Stromkreis, der den Strom in Form von
Gleichstrom verwendet, entnommen.
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In
der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wird, wie oben beschrieben, das Brennstoffgas von der zweiten Zellenanordnung 14 zur
ersten Zellenanordnung 12 geleitet, und das sauerstoffhaltige
Gas und das Kühlmittel
werden von der ersten Zellenanordnung 12 zur zweiten Zellenanordnung 14 geleitet,
und zwar, wie durch die Pfeile angegeben (siehe 1),
entlang der Verbindungsleitungen 40, 46, 52 und
der Zirkulationsleitungen 34, 32, 36.
Da das Kühlmittel
von der ersten Zellenanordnung 12 zur zweiten Zellenanordnung 14 geleitet wird,
hat die erste Zellenanordnung 12 grundsätzlich eine niedrigere Temperatur
als die zweite Zellenanordnung 14.
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Das
Verfahren zum Steuern/Regeln von Reaktionsgasdurchflüssen in
der Brennstoffzelle 10 abhängig von deren Lastbedingungen
und das Verfahren zum Steuern/Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle 10 durch
ein Steuern/Regeln des Kühlmitteldurchflusses
wird im Folgenden beschrieben. Es sei angenommen, dass die Brennstoffzelle 10 an
einem Fahrzeug angebracht ist, zum Beispiel an einem Automobil oder
dergleichen.
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Nachstehend
wird zunächst
die Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 unter mittleren
oder hohen Lastbedingungen (das Fahrzeug bewegt sich entweder mit
einer konstanten Geschwindigkeit oder bergauf) beschrieben.
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Der
Durchfluss des Brennstoffgases wird wie durch die Pfeile in 2 angegeben
gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104 betätigt, und
es wird die Brennstoffgaspumpe 90 betrieben, um das aus dem
Brennstofftank 92 zugeführte
Brennstoffgas über
eine Strahlpumpe 102 in die zweite Zellenanordnung 14 zu
speisen. Zu dieser Zeit ist das Brennstoffgas trocken. Wenngleich
die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur
aufweist, enthält
sie aufgrund des durch eine elektrochemische Reaktion in der zweiten
Zellenanordnung 14 erzeugten Wassers und des Wassers, das
in dem aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleiteten und
dann in die zweite Zellenanordnung 14 eingeleiteten sauerstoffhaltigen
Gas enthalten ist, eine ausreichende Menge an für eine elektrochemische Reaktion
notwendigem Wasser. Deshalb wird verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in
der zweiten Zellenanordnung 14 trocken wird, selbst wenn
das zugeführte Brennstoffgas
trocken ist. Da die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ
hohe Temperatur aufweist, bei einem darin entwickelten erhöhten Wasserdampf-Partialdruck,
wird verhindert, dass in der ersten Brennstoffgasleitung 44 in
der zweiten Zellenanordnung 14 eine Wasserkondensation
stattfindet.
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Das
durch elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 verbrauchte
und aus dieser abgeführte
Brennstoffgas wird durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 in
die erste Zellenanordnung 12 geleitet. Die erste Zellenanordnung 12 hat
eine relativ niedrige Temperatur, da sie zuerst mit dem eine niedrige
Temperatur aufweisenden Kühlmittel
versorgt wird. Falls die in dem Brennstoffgas, das in die erste
Zellenanordnung 12 geleitet wird, enthaltene Wassermenge
für die
elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in
der ersten Zellenanordnung 12 nicht ausreicht, wird das
richtungsabhängige
Steuer-/Regelventil 108 betätigt, um ein Brennstoffgas
in die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 einzuleiten,
das durch den ersten Befeuchter 100 auf eine vorgegebene
relative Feuchtigkeit eingestellt wurde. Das in die erste Zellenanordnung 12 geleitete
Brennstoffgas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht,
danach aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführt und
durch den ersten Befeuchter 100 und die Brennstoffgaspumpe 90 zu
dem richtungsabhängigen
Steuer-/Regelventil 108 zirkuliert.
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Der
Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie anhand der Pfeile
in 3 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden
die richtungsabhängigen
Steuer-/Regelventile 120, 122, 124 betätigt, um
das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige
Gas, während
es in einem trockenen Zustand ist, über den Vorverdichter 114 und
nicht durch den dritten Befeuchter 118 in die erste Zellenanordnung 12 zu
leiten. Zu dieser Zeit hat die erste Zellenanordnung 12 durch
das ihr zugeführte
Kühlmittel
eine relativ niedrige Temperatur und enthält daher wegen des durch eine
elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 erzeugten
Wassers und des Wassers, das in dem aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeleiteten
und dann in die erste Zellenanordnung 12 eingeleiteten
Brennstoffgas enthalten ist, eine ausreichende Menge an für eine elektrochemische
Reaktion notwendigem Wasser. Obwohl die erste Leitung 38 für sauerstoffhaltiges Gas
in der ersten Zellenanordnung 12 dazu neigt, darin Wasser
zu kondensieren, weil die erste Zellenanordnung 12 eine
relativ niedrige Temperatur aufweist, verhindert das trockene sauerstoffhaltige
Gas eine Wasserkondensation in der ersten Leitung 38 für sauerstoffhaltiges
Gas.
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Das
durch die elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 verbrauchte
und aus dieser abgeleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die
Verbindungsleitung 40 für
sauerstoffhaltiges Gas in die zweite Zellenanordnung 14 geleitet.
Zu dieser Zeit hat die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe
Temperatur. Falls die Menge des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten
sauerstoffhaltigen Gases für
eine elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in
der zweiten Zellenanordnung 14 nicht ausreicht, werden
die richtungsabhängigen
Steuer-/Regelventile 120, 122 betätigt, um
sauerstoffhaltiges Gas in die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges
Gas zu speisen, das durch den Regier 119 auf einen vorgegebenen Druck,
d.h. eine vorgegebene Durchflussmenge eingestellt wurde. Das in
die zweite Zellenanordnung 14 geleitete sauerstoffhaltige
Gas wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht und dann
aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführt. Das
aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführte sauerstoffhaltige
Gas beaufschlagt das Brennstoffgas in dem zweiten Befeuchter 116 mit
Wasser und wird dann über
den dritten Befeuchter 118 aus dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges
Gas abgeführt.
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Die
Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 unter niedrigen Lastbedingungen
(entsprechend einem Leerlaufmodus eines durch eine Brennkraftmaschine angetriebenen
Fahrzeugs) wird nachstehend erläutert.
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Der
Durchfluss des Brennstoffgases wird wie anhand der Pfeile in 4 angegeben
gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104 betätigt, die Brennstoffgaspumpe 90 wird
betätigt,
und die Injektorpumpe 102 wird betrieben, um das aus dem
Tank 92 zugeführte
Brennstoffgas nach dessen Mischen mit einem durch den ersten Befeuchter 100 befeuchteten
Brennstoffgases (ein zirkuliertes Brennstoffgas aus der ersten Zellenanordnung 12)
in die zweite Zellenanordnung 14 zu leiten. Das Brennstoffgas
wird wegen der geringen Mengen des durch eine elektrochemische Reaktion
in der zweiten Zellenanordnung 14 erzeugten Wassers und
des in dem sauerstoffhaltigen Gas, das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleitet
und dann in die zweite Zellenanordnung 14 eingeleitet wird,
enthaltenen Wassers befeuchtet. Deshalb wird eine für eine elektrochemische
Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in der zweiten
Zellenanordnung 14 ausreichende Wassermenge beibehalten
und verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22b trocken
wird.
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Das
durch die elektrochemische Reaktion in der zweiten Zellenanordnung 14 verbrauchte
und daraus abgeführte
Brennstoffgas wird durch die Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 in die
erste Zellenanordnung 12 geleitet. Da die erste Zellenanordnung 12 eine
relativ niedrige Temperatur aufweist, enthält das in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitete
Brennstoffgas eine für
die elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in der
ersten Zellenanordnung 12 ausreichende Wassermenge. Folglich
wird das Brennstoffgas nicht durch das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 108 mit
einem befeuchteten Brennstoffgas vermischt. Das in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitete Brennstoffgas
wird durch die elektrochemische Reaktion verbraucht, dann aus der
ersten Zellenanordnung 12 abgeleitet, durch den ersten
Befeuchter 100 und die Brennstoffgaspumpe 90 zirkuliert,
mit dem Brennstoffgas vermischt, das durch die Strahlpumpe 102 aus
dem Brennstofftank 92 zugeführt wird, und dann zirkuliert.
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Der
Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie durch die Pfeile
in 5 angegeben gesteuert/geregelt. Insbesondere werden
die richtungsabhängigen
Steuer-/Regelventile 120, 122, 124 betätigt, um
das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige
Gas nach dem Befeuchten des sauerstoffhaltigen Gases durch den dritten
Befeuchter 118 über
den Vorverdichter 114 in die erste Zellenanordnung 12 zu
leiten. Das sauerstoffhaltige Gas wird wegen der geringen Mengen
des durch eine elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 erzeugten
Wassers und des in dem Brennstoffgas, das aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeleitet
und dann in die erste Zellenanordnung 12 eingeleitet wird,
enthaltenen Wassers befeuchtet. Deshalb wird eine für eine elektrochemische
Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22a in der ersten Zellenanordnung 12 ausreichende
Wassermenge beibehalten und verhindert, dass die Festpolymerelektrolyt-Membran 22a trocken
wird.
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Das
durch die elektrochemische Reaktion in der ersten Zellenanordnung 12 verbrauchte
und aus dieser abgeleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch die
Verbindungsleitung 40 für
sauerstoffhaltiges Gas in die zweite Zellenanordnung 14 geleitet.
Zu dieser Zeit hat die zweite Zellenanordnung 14 eine relativ hohe Temperatur.
Soweit die Menge des in die zweite Zellenanordnung 14 geleiteten
sauerstoffhaltigen Gases für
die elektrochemische Reaktion an der Festpolymerelektrolyt-Membran 22b in
der zweiten Zellenanordnung 14 ausreicht, wird das sauerstoffhaltige
Gas nicht durch das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 122 mit
einem befeuchteten sauerstoffhaltigen Gas gemischt. Das in die zweite
Zellenanordnung 14 geleitete sauerstoffhaltige Gas wird durch
die elektrochemische Reaktion verbraucht und dann aus der zweiten
Zellenanordnung 14 abgeführt. Das aus der zweiten Zellenanordnung 14 abgeführte sauerstoffhaltige
Gas durchströmt
den zweiten Befeuchter 116 und dann den dritten Befeuchter 118, die
Wasser aus dem sauerstoffhaltigen Gas absorbieren. Das sauerstoffhaltige
Gas wird anschließend aus
dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.
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Die
Betriebsweise der Brennstoffzelle 10 für den Warmlaufbetrieb zur Zeit
eines Starts (entsprechend einem Warmlaufmodus eines durch eine Brennkraftmaschine
angetriebenen Fahrzeugs) wird nachstehend beschrieben.
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Der
Durchfluss des Brennstoffgases wird wie durch die Pfeile in 6 angegeben
gesteuert/geregelt. Insbesondere werden die richtungsabhängigen Steuer-/Regelventile 106, 104, 108 betätigt, um
das aus dem Brennstofftank 92 gelieferte Brennstoffgas durch
die Brennstoffgaspumpe 90 in die erste Zellenanordnung 12 zu
leiten. Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeleitete
Brennstoffgas wird durch den ersten Befeuchter 100 auf
eine vorgegebene relative Feuchtigkeit eingestellt und dann in der
durch die Pfeile in 6 angegebenen Richtung zirkuliert.
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Der
Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases wird wie durch die Pfeile
in 7 angegeben gesteuert/geregelt. Das richtungsabhängige Steuer-/Regelventil 120 wird
betätigt,
um das von dem Luftkompressor 112 gelieferte sauerstoffhaltige
Gas, während
es in einem trockenen Zustand ist, über den Vorverdichter 114 und
nicht durch den dritten Befeuchter 118 in die erste Zellenanordnung 12 zu leiten.
Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführte sauerstoffhaltige
Gas wird durch die richtungsabhängigen
Steuer-/Regelventile 122, 124 in den zweiten Befeuchter 116 geleitet,
in dem das sauerstoffhaltige Gas Wasser aus dem Brennstoffgas absorbiert.
Das sauerstoffhaltige Gas wird dann durch den dritten Befeuchter 118 aus
dem Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges Gas abgeleitet.
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Im
Warmlaufbetrieb zur Zeit eines Starts wird, wie vorstehend beschrieben,
nur die erste Zellenanordnung 12 bei einer relativ niedrigen
Temperatur betrieben. Infolgedessen läuft die Brennstoffzelle 10 rasch
warm, und es wird ein Abwürgen
des Fahrzeugs (Anhalten des Motors) wegen eines Spannungsabfalls
in der zweiten Zellenanordnung 14 verhindert, wenn das
Fahrzeug unmittelbar nach dem Start fährt.
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Das
Verfahren zum Steuern/Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle 10 durch
ein Steuern/Regeln des Kühlmitteldurchflusses
wird nachstehend beschrieben.
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Befindet
sich das Fahrzeug unter mittleren oder hohen Lastbedingungen, wird
der Durchfluss des Kühlmittels
wie anhand der durchgezogenen Pfeile in 8 dargestellt
gesteuert/geregelt. Insbesondere wird das durch die Pumpe 126 zirkulierte Kühlmittel
durch das Thermoventil 130 gesteuert/geregelt, um in den
Kühler 128 zu
strömen.
Das Kühlmittel
wird durch den Kühler 128 gekühlt und
anschließend
in die erste Zellenanordnung 12 und die zweite Zellenanordnung 14 geleitet.
Das aus der ersten Zellenanordnung 12 abgeführte Kühlmittel
wird durch das Thermoventil 132 zur Pumpe 126 zirkuliert.
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Befindet
sich das Fahrzeug unter niedrigen Lastbedingungen, wird das Kühlmittel,
das wie oben im Zusammenhang mit dem sich unter mittleren oder hohen
Lastbedingungen befindenden Fahrzeug beschrieben aus der ersten
Zellenanordnung abgeführt wird,
durch das Thermoventil 132 in die zweite Zellen anordnung 14 gespeist
und mit dem Kühlmittel kombiniert,
das wie durch die Leerpfeile in 8 angegeben
aus dem Kühler 128 strömt. Im Warmlaufbetrieb
zur Zeit des Startens wird das Thermoventil 130 betätigt, um
das Kühlmittel,
das wie oben im Zusammenhang mit dem sich unter mittleren oder hohen
Lastbedingungen befindenden Motor beschrieben durch die Pumpe 126 zirkuliert
wird, in der Weise zu lenken, dass es den Kühler 128 umgeht, wie
das durch die gestrichelten Pfeile in 8 angegeben
ist.
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Um
den Temperatursituationen in der ersten Zellenanordnung 12 und
der zweiten Zellenanordnung 14 gerecht zu werden, werden
die Thermoventile 130, 132 durch Befehle betätigt, die
auf Grundlage der durch die Thermoventile 130, 132, 134 erfassten
Temperaturen des Kühlmittels
durch die Steuer-/Regeleinheit (nicht gezeigt) erzeugt werden. Auf diese
Weise lassen sich die Temperaturen der ersten Zellenanordnung 12 und
der zweiten Zellenanordnung 14 auf optimale Höhen steuern/regeln.
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Bei
einer Brennstoffzelle 10 und ihrem Steuer-/Regelverfahren
wie oben beschrieben wird von den Zellenanordnungen 12, 14,
deren jede eine Mehrzahl von gestapelten Membranelektrodenanordnungen 18 bzw. 20 umfasst,
die eine Zellenanordnung, 12, bei einer relativ niedrigen
Temperatur betrieben und die andere Zellenanordnung, 14,
bei einer relativ hohen Temperatur. Die Zellenanordnungen 12, 14 sind
durch die Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges Gas, die
Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 und die Kühlmittel-Verbindungsleitung 52,
die die erste und zweite Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges
Gas, die erste und zweite Brennstoffgasleitung 44, 48 und
die erste und zweite Kühlmittelleitung 50, 54 verbinden,
miteinander verbunden. Der Brennstoffgas-Einstellmechanismus 76 wird betätigt, um
den Durchfluss des Brennstoffgases in der Brennstoffgas-Verbindungsleitung 46 zu
steuern/regeln. Der Einstellmechanismus 78 für sauerstoffhaltiges
Gas wird betätigt,
um den Durchfluss des sauerstoffhaltigen Gases in der Verbindungsleitung 40 für sauerstoffhaltiges
Gas zu steuern/regeln. Der Kühlmittel-Einstellmechanismus 80 wird
betätigt, um den
Durchfluss des Kühlmittels
in der Kühlmittel-Verbindungsleitung 52 zu
steuern/regeln. Die Temperaturen in den Zellenanordnungen 12, 14,
die relative Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas und die relative
Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen Gas werden ebenfalls eingestellt.
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Deshalb
werden, da die Temperaturen in der Stapelrichtung der ersten und
zweiten Membranelektrodenanordnung 18, 20 in den
Zellenanordnungen 12, 14 gesteuert/geregelt werden,
auch die relative Feuchtigkeit in dem Brennstoffgas und die relative Feuchtigkeit
in dem sauerstoffhaltigen Gas gesteuert/geregelt. Als Ergebnis wird
verhindert, dass in der ersten und zweiten Brennstoffgasleitung 44, 48 und in
der ersten und zweiten Leitung 38, 42 für sauerstoffhaltiges
Gas eine Wasserkondensation und Wasseranstauung bedingt durch eine
Trocknung von und überschüssiges Wasser
in den Festpolymerelektrolyt-Membranen 22a, 22b stattfindet.
Infolgedessen werden die elektrochemischen Reaktionen in den Zellenanordnungen 12, 14 stabilisiert
und beschleunigt, zum Erhöhen
der Produktivität
der Brennstoffzelle 10 bei der Erzeugung von elektrischem Strom.
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Wenn
die Zellenanordnungen 12, 14 im wesentlichen in
horizontaler Richtung nebeneinander vorgesehen sind, sind die nachteiligen
Wirkungen, die die Temperaturen und relativen Feuchtigkeiten der
Zellenanordnungen 12, 14 aufeinander haben, wesentlich
geringer als bei Zellenanordnungen, die zu einem Stapel zusammengeschlossen
sind. Deshalb werden die elektrochemischen Reaktionen in den Zellenanordnungen 12, 14 mehr
stabilisiert und beschleunigt, für
eine weitere Erhöhung
der Produktivität
der Brennstoffzelle 10 bei der Stromerzeugung.
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Eine
Brennstoffzelle (10) weist Zellenanordnungen (12, 14)
auf, die durch eine Brennstoffgas-Verbindungsleitung (46),
eine Verbindungsleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas und
eine Kühlmittel-Verbindungsleitung
(52) miteinander verbunden sind. Ein Brennstoffgas-Einstellmechanismus,
ein Einstellmechanismus für
sauerstoffhaltiges Gas und ein Kühlmittel-Einstellmechanismus
sind jeweils mit der Brennstoffgas-Verbindungsleitung (46),
der Verbindungsleitung (40) für sauerstoffhaltiges Gas und der
Kühlmittel-Verbindungsleitung
(52) verbunden. Diese Einstellmechanismen stellen die Temperaturen in
den Zellenanordnungen (12, 14), die relative Feuchtigkeit
in dem Brennstoffgas und die relative Feuchtigkeit in dem sauerstoffhaltigen
Gas ein.