DE112004002034T5

DE112004002034T5 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE112004002034T5
Application number: DE112004002034T
Authority: DE
Inventors: Riki Toyota Otsuka; Takuo Toyota Yanagi; Munetoshi Toyota Kuroyanagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2005041337A2; JP2005129462A; KR100776316B1; CN1875511A; US20080206611A1; WO2005041337A3; KR20060058739A

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches umfaßt: eine Brennstoffzelle (10); eine Versorgungsleitung (11), durch welche ein Brenngas und ein Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden, und eine Abgasleitung (12), durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle (10) strömen, sowie einen Reaktor (13), welcher in der Abgasleitung (12) bereitgestellt ist und ein Brenngasabgas von der Brennstoffzelle oxidiert, das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, daß es ferner aufweist: eine Bypassleitung (14), welche von einer Versorgungsleitung (11) verläuft, um den Reaktor (13) zu erreichen, und zur Versorgungsleitung (11) zurückkehrt, welche einen Fluß von zumindest einem Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases empfängt, welche an die Brennstoffzelle bei deren Aktivierung geliefert werden sollen, um durch eine im Reaktor (13) erzeugte Wärme geheizt zu werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, welches eine frühe Aktivierung der Brennstoffzelle ermöglicht.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle (FC) wird durch Stapeln eines Elektrolyts, einer MEA mit einer auf einer Oberfläche des Elektrolyts bereitgestellten Anode und einer auf der anderen Oberfläche des Elektrolyts bereitgestellten Kathode, und eines Separators ausgebildet. Die Anode wird mit Brenngas (üblicherweise Gas, welches Wasserstoff aufweist) versorgt, und die Kathode wird mit Oxidationsgas (Gas, das Sauerstoff oder normale Luft enthält) versorgt, so daß Leistung durch die Brennstoffzelle erzeugt wird. Das Brenngas wird zur Leistungserzeugung verwendet, und das von der Brennstoffzelle ausgegebene Brenngas wird in einem Brenngas-Versorgungssystem mittels einer Pumpe zirkuliert. Da ein geringer Betrag von Stickstoff dem Brenngas durch das Elektrolyt von der Kathode während der Leistungserzeugung beigemischt wird, wird das entladene Brenngas oxidiert, welches intermittierend an die Atmosphäre abgegeben wird.
Zur stabilen Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle ist es notwendig, die Brennstoffzelle auf einer vorbestimmten Temperatur zu halten und das gelieferte Gas konstant anzufeuchten. Die Temperatur der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung ist jedoch gering, und demgemäß dauert es eine Zeit, bis die Temperatur weit genug aufgeheizt ist, um eine stabile Leistungserzeugung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist, da das an die Brennstoffzelle gelieferte Gas bei deren Aktivierung noch nicht angefeuchtet ist, die Leistungserzeugung zu diesem Zeitpunkt nicht stabil. Daher kann es eine Zeit dauern, bis die Brennstoffzelle aufgrund der vorgenannten Gründe aktiviert wird.
Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. JP-A-2001-155754 offenbart, daß eine Verbrennungskammer in der Anode und der Kathode bereitgestellt ist, um jeweils das Brenngas und die Luft mit der Verbrennungshitze, welche in der jeweiligen Verbrennungskammer bei Aktivierung der Brennstoffzelle erzeugt wird, zu heizen, um so die Aktivierung zu einem früheren Zeitpunkt zu beschleunigen. Das von der Brennstoffzelle abgegebene Brenngas sowie die Luft werden vollständig im Abgasverbrennungsabschnitt verbrannt. Da das Brennstoffzellensystem wie vorstehend diskutiert jeweils Verbrennungskammern an der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle benötigt, ist es schwierig, die Größe des vorgenannten Systems zu verringern.
Derartige Verbrennungskammern, die für die Anode und die Kathode der Brennstoffzelle zur Beschleunigung von deren Aktivierung verwendet werden, können verhindern, daß die Größe des Brennstoffzellensystems verringert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches keine Heizeinheit zum Heizen des Brenngases und Oxidationsgases zum Zwecke einer frühen Aktivierung der Brennstoffzelle benötigt.

(1) Gemäß der Erfindung umfaßt ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Versorgungsleitung, durch welche ein Brenngas und ein Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden, sowie eine Abgasleitung, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle fließen, sowie einen Reaktor, der in der Abgasleitung bereitgestellt ist und ein Brennstoffabgas bzw. Brenngasabgas von der Brennstoffzelle oxidiert. Das Brennstoffzellensystem umfaßt ferner eine Bypassleitung, welche von der Versorgungsleitung verlauft, um den Reaktor zu erreichen, und zur Versorgungsleitung zurückkehrt, welche einen Fluß von zumindest einem Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche an die Brennstoffzelle bei deren Aktivierung geliefert werden sollen, empfängt, um durch eine im Reaktor erzeugte Hitze bzw. Wärme geheizt zu werden. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für alle Ausführungsformen der Erfindung, welche nachfolgend beschrieben werden.
(2) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfaßt die Bypassleitung zumindest eine Brenngas-Bypassleitung und eine Oxidationsgas-Bypassleitung, wobei die Brenngas-Bypassleitung von der Versorgungsleitung, durch welche die Brennstoffzelle mit Brenngas versorgt wird, abgezweigt ist, um durch den Reaktor zu reichen und zurück zur Versorgungsleitung zu gelangen, so daß ein wasserstoffreiches Gas durch diese strömt, und wobei die Oxidationsgasleitung von der Versorgungsleitung, durch welche das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert wird, abgezweigt ist, um durch den Reaktor zu reichen und zur Versorgungsleitung zurückzukehren, so daß ein sauerstoffreiches Gas durch diese strömt. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für alle Ausführungsformen der nachfolgend beschriebenen Erfindung.
(3) Bei dem Brennstoffzellensystem der Erfindung umfaßt der Reaktor zumindest einen ersten Reaktor, welcher ermöglicht, daß das wasserstoffreiche Gas vom Reaktor in eine Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung strömt, sowie einen zweiten Reaktor, welcher ermöglicht, daß das sauerstoffreiche Gas vom Reaktor in eine Kathode der Brennstoffzelle strömt. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für alle Ausführungsformen der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(4) Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfaßt ferner Ventile in der Bypassleitung und in der Versorgungsleitung, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden. Bei dem Brennstoffzellensystem werden die Ventile betätigt, um einen Zustand zwischen einem ersten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche an die Brennstoffzelle bei deren Aktivierung geliefert werden, durch die Bypassleitung und den Reaktor strömen, und einem zweiten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welcher von der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs nach Aktivierung der Brennstoffzelle entladen wird, durch den Reaktor strömt. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für alle Ausführungsformen der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(5) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist ein Gas, welches an den Reaktor bei Aktivierung der Brennstoffzelle geliefert wird, identisch mit einem Gas, welches an einen Gaseinlaß der Brennstoffzelle während eines normalen Betriebs desselben geliefert wird. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für alle Ausführungsformen der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(6) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist die Bypassleitung mit einer Innenseite des Reaktors verbunden, so daß das in den Reaktor strömende Gas in einer im Reaktor erzeugten Reaktion bei der Aktivierung der Brennstoffzelle erhitzt und angefeuchtet wird und an die Brennstoffzelle geliefert wird. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für die Ausführungsformen 1 bis 4 der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(7) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfaßt die Bypassleitung eine Brenngas-Bypassleitung und eine Oxidationsgas-Bypassleitung. Der Reaktor umfaßt einen ersten Reaktor, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen, sowie einen zweiten Reaktor, welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen. Das in der Versorgungsleitung, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden, bereitgestellte Ventil ist als ein An-Aus-Ventil strukturiert, welches ermöglicht, daß eine gesamte Menge des Brenngases in den ersten Reaktor fließt, und eine gesamte Menge des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor bei Aktivierung der Brennstoffzelle. Die vorstehend beschriebenen Eigenschaften des Brennstoffzellensystems gelten für die erste Ausführungsform der Erfindung.
(8) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfaßt die Bypassleitung eine Brenngas-Bypassleitung und die Oxidationsgas-Bypassleitung. Der Reaktor enthält den ersten Reaktor, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen, und den zweiten Reaktor, welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen. Das in der Versorgungsleitung, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert werden, bereitgestellte Ventil ist als ein Strömungssteuerventil strukturiert, welches ermöglicht, daß ein Anteil des Brenngases in den ersten Reaktor strömt und ein Anteil des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor strömt, bei Aktivierung der Brennstoffzelle. Die vorstehend beschriebene Eigenschaft des Brennstoffzellensystems gilt für die zweite Ausführungsform der Erfindung.
(9) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfaßt die Bypassleitung eine Oxidationsgas-Bypassleitung. Der Reaktor umfaßt den zweiten Reaktor, der das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen. Das in der Versorgungsleitung, durch welche das Oxidationsgas an die Brennstoffzelle geliefert wird, bereitgestellte Ventil ermöglicht, daß zumindest ein Anteil des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor bei Aktivierung der Brennstoffzelle strömt. Die vorstehend beschriebene Eigenschaft des Brennstoffzellensystems gilt für die dritte Ausführungsform der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(10) Bei dem Brennstoffzellensystem der Erfindung umfaßt die Bypassleitung eine Brenngas-Bypassleitung. Der Reaktor umfaßt den ersten Reaktor, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen. Das in der Versorgungsleitung, durch welche das Brenngas an die Brennstoffzelle geliefert wird, bereitgestellte Ventil ermöglicht, daß zumindest ein Anteil des Brenngases in den ersten Reaktor bei Aktivierung der Brennstoffzelle strömt. Die vorstehend beschriebene Eigenschaft des Brennstoffzellensystems gilt für die vierte Ausführungsform der Erfindung wie nachfolgend beschrieben.
(11) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist die Bypassleitung angeordnet, um außerhalb des Reaktors zu liegen, um nicht mit der Innenseite des Reaktors verbunden zu sein, und ist derart konfiguriert, daß die Wärme zwischen der Bypassleitung und der Innenseite des Reaktors austauschbar ist. Die vorstehend beschriebene Eigenschaft des Brennstoffzellensystems gilt für die Ausführungsform 5.
(12) Bei einem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems wie unter (1) beschrieben, wird zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche zur Brennstoffzelle geliefert werden sollen, in eine Bypassleitung bei Aktivierung der Brennstoffzelle eingebracht, um durch eine im Reaktor erzeugte Hitze aufgeheizt zu werden.

Gemäß dem vorgenannten Brennstoffzellensystem dient der Reaktor zur Behandlung des Brenngasabgases und zur Erzeugung von Hitze bzw. Wärme, welche auf die Brennstoffzelle bei deren Aktivierung angewendet wird. Die Hitzequelle zur Aktivierung der Brennstoffzelle muß nicht bereitgestellt werden, daher wird die Größe des Brennstoffzellensystems verringert. Ein jedes der Brennstoffzellensysteme, wie in den Punkten (2) bis (5) beschrieben, ist eine Ausführungsform des unter (1) beschriebenen Brennstoffzellensystems.
Bei dem gemäß (6) beschriebenen Brennstoffzellensystem enthält das vom Reaktor stammende Gas Feuchtigkeit, die durch die Verbrennung des Brenngases, welches zur Brennstoffzelle geliefert wird, erzeugt wird. Das macht es möglich, das an die Brennstoffzelle zu liefernde Gas zu einem früheren Zeitpunkt gleichzeitig zu erwärmen und anzufeuchten. Das erwärmte und angefeuchtete Gas kann zu einem früheren Zeitpunkt an die Brennstoffzelle geliefert werden und ermöglicht daher eine Beschleunigung der Brennstoffzellenaktivierung.
Ein jedes der in (7) bis (10) beschriebenen Brennstoffzellensysteme ist eine Ausführungsform des Brennstoffzellensystems nach (6). Die jeweiligen Brennstoffzellensysteme (7) bis (10) entsprechen den Ausführungsformen 1 bis 4 der Erfindung. Da das Brennstoffzellensystem nach (8) ein Flußsteuerventil enthält, kann das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei Aktivierung der Brennstoffzelle in einem stabilen Verbrennungsbereich gehalten werden und stabilisiert daher die Wasserstoffverbrennung.
Das unter (11) beschriebene Brennstoffzellensystem ermöglicht es, die Kosten im Vergleich mit dem Brennstoffzellensystem nach (6) zu verringern.
Das unter (12) beschriebene Verfahren wird zur Ausführung einer Steuerung zur Aktivierung des Brennstoffzellensystems nach (1) verwendet. Dies macht es möglich, eine frühe Aktivierung des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die vorstehende sowie andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Nummern zur Darstellung gleicher Teile verwendet werden, und wobei:
1 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
2 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung des Brennstoffzellensystems bei dessen Aktivierung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
3 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung des Brennstoffzellensystems während eines Normalbetriebs gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
4 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
5 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
6 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform darstellt; und
7 eine schematische Darstellung zeigt, welche eine Anordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Brennstoffzellensystem der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschrieben.
Die 1 bis 3 stellen eine Ausführungsform 1 der Erfindung dar, 4 stellt eine Ausführungsform 2 dar, 5 stellt eine Ausführungsform 3 dar, 6 stellt eine Ausführungsform 4 dar, und 7 stellt entsprechend eine Ausführungsform 5 dar.
Die Ausführungsformen 1 bis 4 werden als eine erste Gruppe der Erfindung eingestuft. Bei den Ausführungsformen der ersten Gruppe wird das an die Brennstoffzelle zu liefernde Gas im Reaktor angefeuchtet. Ausführungsform 5 wird als eine zweite Gruppe der Erfindung eingestuft. Bei der Ausführungsform der zweiten Gruppe wird das an die Brennstoffzelle zu liefernde Gas nicht im Reaktor angefeuchtet. Die identischen oder ähnlichen Elemente bzw. Teile in den Ausführungsformen werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bezugnehmend auf 1 werden identische oder ähnliche Merkmale aller Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Ein Brennstoffzellensystem der Erfindung umfaßt eine Brennstoffzelle 10, eine Versorgungsleitung 11, durch welche das Brenngas und Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 10 geliefert werden, eine Abgasleitung 12, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 entladen werden, sowie einen Reaktor 13, der in der Abgasleitung 12 bereitgestellt ist, um das Brenngasabgas der Brennstoffzelle zu oxidieren. Das Brennstoffzellensystem umfaßt ferner eine Bypassleitung 14, welche von der Versorgungsleitung 11 zum Reaktor 13 verläuft und von dort zur Versorgungsleitung 11 zurückkehrt. Das Brennstoffzellensystem der Erfindung umfaßt ferner eine Leitung 20 (Wasserstoff-Entladeleitung 20a, Luft-Entladeleitung 20b) zur zweiten Seite des Reaktors 13, jeweils von Wasserstoff- und Luft-Entladeleitungen.
Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung wird zumindest eine Anzahl des Brenngases und des Oxidationsgases, welches an die Brennstoffzelle 10 bei deren Aktivierung geliefert werden, in die Bypassleitung 14 eingebracht, um mit der im Reaktor 13 erzeugten Hitze aufgeheizt zu werden.
Die Bypassleitung 14, welche mit dem Reaktor 13 verbunden ist, kann separat ausgebildet sein oder zusammen als Abgasleitung verwendet werden. Vorzugsweise wird ein Teil der Bypassleitung gemeinschaftlich als Abgasleitung verwendet, um das Brennstoffzellensystem zu vereinfachen und zu verkleinern.
Die Brennstoffzelle 10 ist beispielsweise eine Solidpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle aus einem gestapelten Körper, der aus der MEA (Membran-Elektrolyt-Anordnung) gebildet wird, welche ein Elektrolyt, eine auf einer Fläche des Elektrolyts ausgebildete Anode, sowie eine Kathode, welche auf der anderen Fläche des Elektrolyts ausgebildet ist, sowie einen Separator umfaßt. Die MEA und der Separator werden in beliebiger Richtung, welche nicht auf die vertikale Richtung beschränkt ist, gestapelt. Das Brenngas enthält Wasserstoff, und das Oxidationsgas enthält Sauerstoff, beispielsweise Luft.
Der Reaktor 13 ist mit einem Oxidationskatalysator zur Oxidation des Brenngases bereitgestellt. Es kann jedoch auch ein Absorptionskatalysator im Reaktor 13 bereitgestellt sein. Der Begriff „Oxidation" kann Verbrennung umfassen. Das durch den Absorptionskatalysator absorbierte Brenngas wird durch den Oxidationskatalysator oxidiert und durch die bei der Verbrennung erzeugte Hitze verbrannt, um entfernt zu werden.
Die „Rückkehr der Bypassleitung 14 zur Versorgungsleitung 11" in der Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen direkten Strom des Gases in die Brennstoffzelle 10. Der Begriff „Bypass", der zur Beschreibung der Bypassleitung 14 verwendet wird, steht für das Bypassen oder Überbrücken des Leitungsabschnitts zwischen dem Verzweigungspunkt der Versorgungsleitung 11 zur Bypassleitung und dessen Rückkehrpunkt. Mit anderen Worten: Die Bypassleitung 14 verläuft von der Versorgungsleitung 11 zum Reaktor 13 und kehrt dann zur Brennstoffzelle 10 zurück.
Die Versorgungsleitung 11, durch welche die Brennstoffzelle 10 mit Brenngas und Oxidationsgas versorgt wird, umfaßt eine Versorgungsleitung 11A, durch welche das Brenngas zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird, sowie eine Versorgungsleitung 11B, durch welche das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird.
Die Abgasleitung 12, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 entladen werden, umfaßt eine Abgasleitung 12A, durch welche das Brenngas von der Brennstoffzelle 10 entladen wird, sowie eine Abgasleitung 12B, durch welche das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 entladen wird.
Die Abgasleitung 12A, durch welche das Brenngas von der Brennstoffzelle 10 entladen wird, ist mit einer Zirkulationsleitung 15 bereitgestellt, durch welche das Brenngas zur Versorgungsleitung 11A zirkuliert wird. Die Zirkulationsleitung 15 ist mit einer Pumpe 16 bereitgestellt, welche dazu dient, Wasserstoff, welcher durch die Abgasleitung 12A strömt, zur Versorgungsleitung 11A zurückzukehren.
Da eine kleine Menge Stickstoff, der im Oxidationsgas enthalten ist, mit dem Brenngas durch das Elektrolyt während des Betriebs der Brennstoffzelle vermischt wird, wird das Brenngas in einem vorbestimmten Intervall nach außen abgegeben bzw. entladen, um den Stickstoff zu entfernen. Die Leitung zum Entladen des Brenngases in die Umgebung ist am Reaktor 13 zum Verbrennen des Wasserstoffs, bevor dieser an die Umgebung entladen wird, bereitgestellt, um eine direkte Entladung des brennbaren Gases an die Umgebung zu verhindern.
Die Bypassleitung 14 umfaßt zumindest eine Brenngas-Bypassleitung 14A und eine Oxidationsgas-Bypassleitung 14B. Die Brenngas-Bypassleitung 14A ist von der Versorgungsleitung 11A an einem Verzweigungspunkt abgezweigt, um durch den Reaktor 13 zu verlaufen und zur Brenngasversorgungsleitung 11A, durch welche wasserstoffreiches Gas strömt, zurückzukehren. Die Oxidationsgas-Bypassleitung 14B ist von der Versorgungsleitung 11B an einem Verzweigungspunkt abgezweigt, um durch den Reaktor 13 zu verlaufen und zur Versorgungsleitung 11B, durch welche sauerstoffreiches Gas strömt, zurückzukehren.
Die Bypassleitung 14, welche in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem nicht verwendet wurde, macht es möglich, dem Reaktor 13 zu erlauben, zum Heizen und/oder Befeuchten des zu liefernden Gases zu dienen. Die Brenngas-Bypassleitung 14A umfaßt eine stromaufwärtige Brenngas-Bypassleitung 14Au stromaufwärts des Reaktors 13, sowie eine stromabwärtige Brenngas-Bypassleitung 14Ad stromabwärts des Reaktors 13.
Die Oxidationsgas-Bypassleitung 14B umfaßt eine stromaufwärtige Oxidationsgas-Bypassleitung 14Bu stromaufwärts des Reaktors 13, sowie eine stromabwärtige Oxidationsgas-Bypassleitung 14Bd stromabwärts vom Reaktor 13.
Der Reaktor 13 umfaßt zumindest einen ersten Reaktor 13A, der das wasserstoffreiche Gas zur Anodenseite der Brennstoffzelle 10 bei deren Aktivierung strömt, sowie einen zweiten Reaktor 13B, der das sauerstoffreiche Gas zur Kathodenseite der Brennstoffzelle bei der Aktivierung der Brennstoffzelle strömt.
Der erste Reaktor 13A wird bei einem niedrigen bzw. mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis λ betrieben, und der zweite Reaktor 13B wird bei einem großen bzw. fetten Luft-/Kraftstoffverhältnis λ betrieben.
Der erste Reaktor 13A entlädt H₂, H₂O und N₂, und der zweite Reaktor 13B entlädt O₂, H₂O und N₂.
Wenn das vom ersten Reaktor 13A entladene Gas mit dem Gas vermischt wird, welches durch die Versorgungsleitung 11A strömt, und die Mischung an die Brennstoffzelle geliefert wird, wird die Temperatur der Mischung 80°C oder höher (die Temperatur des vom ersten Reaktor 13A entladenen Gases ist höher als die der Mischung).
Wenn das vom zweiten Reaktor 13B entladene Gas mit dem Brenngas, welches durch die Oxidationsgasleitung 11B strömt, vermischt wird, und die Mischung an die Brennstoffzelle geliefert wird, wird die Temperatur der Mischung 80°C oder höher (die Temperatur des vom zweiten Reaktor 13B entladenen Gases ist höher als die Mischung).
In der Bypassleitung 14 und der Versorgungsleitung 11 sind Ventile 17 bereitgestellt. Die Ventile 17 dienen dazu, den Zustand zwischen einem ersten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welches an die Brennstoffzelle 10 bei deren Aktivierung geliefert wird, durch die Bypassleitung 14 und den Reaktor 13 strömen kann, und einem zweiten Zustand, bei dem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases von der Brennstoffzelle 10 während eines Normalbetriebs nach Aktivierung der Brennstoffzelle entladen wird, durch den Reaktor 13 strömen kann, auszuwählen.
Das in der Brenngas-Bypassleitung 14A und der Versorgungsleitung 11 bereitgestellt Ventil 17 umfaßt die Ventile 17A(1), 17A(2) und 17A(3). Das Ventil 17A(1) ist zwischen dem Verzweigungspunkt in der Versorgungsleitung 11 zur Bypassleitung 14A und einem Rückkehrverbindungspunkt bereitgestellt. Das Ventil 17A(2) ist in der stromaufwärtigen Brenngas-Bypassleitung 14Au bereitgestellt. Das Ventil 17A(3) ist in der stromabwärtigen Brenngas-Bypassleitung 14Ad bereitgestellt.
Das in der Oxidationsgas-Bypassleitung 14B und der Versorgungsleitung 11 bereitgestellte Ventil 17 umfaßt die Ventile 17B(1), 17B(2), 17B(3) und 17B(4). Das Ventil 17B(1) ist zwischen einem Verzweigungspunkt in der Versorgungsleitung 11B zur Bypassleitung 14B und dem Rückkehrverbindungspunkt bereitgestellt. Das Ventil 17B(2) ist in der stromaufwärtigen Oxidationsgas-Bypassleitung 14Bu bereitgestellt. Das Ventil 17B(3) ist in der stromabwärtigen Oxidationsgas-Bypassleitung 14Bd bereitgestellt. Das Ventil 17B(4) ist in dem Abschnitt gerade stromabwärts des Verbindungsabschnitts in der stromabwärtigen Oxidationsgas-Bypassleitung 14Bd bezüglich der Abgasleitung 12B bereitgestellt. Ein Bereitstellen des Ventils 17B(4) ist jedoch nicht notwendig.
Das Ventil 17 kann als Absperrventil (An-Aus-Ventil) oder als Strömungssteuerventil ausgebildet sein. Die Steuerung zur Betätigung des Ventils 17 oder des Öffnungsgrades des Ventils 17 wird auf einen Befehl der Betätigungssteuerungseinheit für die Brennstoffzelle (im Fahrzeug bereitgestellter Computer) ausgeführt. Die vorgenannte Steuerung wird in Übereinstimmung mit dem Betrieb der Brennstoffzelle ausgeführt (bei deren Aktivierung oder normalem Betrieb nach der Aktivierung).
Ein Strömungssteuerventil 18 ist in der Bypassleitung 14 bereitgestellt. Das Strömungssteuerventil 18 dient dazu, das Strömungsratenverhältnis bzw. Flußratenverhältnis bezüglich des Brenngases (Wasserstoff) und des Oxidationsgases (Luft), welches jeweils in den Reaktor strömt, zwischen einem geringen Wert und einem großen Wert zu wählen, um das jeweilige Luft-/Kraftstoffverhältnis λ im ersten und zweiten Reaktor 13A und 13B anzupassen.
Das Flußsteuerventil 18 umfaßt Flußsteuerventile 18A(1), 18A(2), 18B(1) und 18B(2). Das Flußsteuerventil 18A(1) ist um einen Einlaß der Brenngas-Bypassleitung 14A zum ersten Reaktor 13A bereitgestellt. Das Flußsteuerventil 18A(2) ist um einen Einlaß der Brenngas-Bypassleitung 14A zum zweiten Reaktor 13B bereitgestellt. Das Flußsteuerventil 18B(1) ist um einen Einlaß der Oxidationsgas-Bypassleitung 14B zum ersten Reaktors 13A bereitgestellt. Das Flußsteuerventil 18B(2) ist um einen Einlaß der Oxidationsgas-Bypassleitung 14B zum zweiten Reaktors 13B bereitgestellt.
Ein Ventil 19 ist in der Abgasleitung 12 bereitgestellt, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 strömen. Das Ventil kann als An-Aus-Ventil ausgebildet sein. Das Ventil 19 umfaßt Ventile 19A(1), 19A(2), 19A(3) und 19A(4), welche jeweils in der Abgasleitung 12A, durch welche das Brenngas von der Brennstoffzelle 10 strömt, bereitgestellt sind. Das Ventil 19A(1) ist an einer Stelle gerade stromabwärts des Abschnitts bereitgestellt, an welchem die Zirkulationsleitung 15 der Abgasleitung 12A abgezweigt ist. Das Ventil 19A(2) ist an einer Stelle bereitgestellt, gerade stromaufwärts vom Abschnitt, an welchem die Abzweigungsleitung vom ersten Reaktor 13A mit der Abgasleitung 12A verbunden ist. Das Ventil 19A(3) ist stromaufwärts vom ersten Reaktor 13A in der Abzweigungsleitung zum Reaktor 13 bereitgestellt. Das Ventil 19A(4) ist stromabwärts vom ersten Reaktor 13A in der Abzweigungsleitung bzw. Verzweigungsleitung dorthin bereitgestellt.
Das Ventil 19 umfaßt ferner Ventile 19B(1), 19B(2) und 19B(3), welche jeweils in der Abgasleitung 12B, durch welche das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle 10 strömt, bereitgestellt sind. Das Ventil 19B(1) ist stromabwärts der Position, bei welcher die Verzweigungsleitung der Abgasleitung 12B zum Reaktor 13 abzweigt, bereitgestellt. Das Ventil 19B(2) ist stromaufwärts vom zweiten Reaktor 13B in der Verzweigungsleitung zum Reaktor 13 bereitgestellt. Das Ventil 19B(3) ist stromabwärts vom zweiten Reaktor 13B in der Verzweigungsleitung dorthin bereitgestellt.
Das dem Reaktor 13 bei Aktivierung der Brennstoffzelle zugeführte Gas ist identisch zu dem, welches einem Gaseinlaß der Brennstoffzelle während eines Normalbetriebs derselben zugeführt wird. Das dem Reaktor 13 zugeführte Oxidationsgas bei Aktivierung der Brennstoffzelle kann als sekundäre Luft getrennt von der Luft verwendet werden, welche dem Gaseinlaß der Brennstoffzelle während deren Normalbetrieb zugeführt wird.
In den jeweiligen Ausführungsformen (1 bis 4), welche als die erste Gruppe der Erfindung eingestuft wurden, ist die Bypassleitung 14 mit einer Innenseite des Reaktors 13 verbunden. Demgemäß wird das in den Reaktor einzuführende Gas (Wasserstoff und Luft) bei Aktivierung der Brennstoffzelle 10 aufgrund der Reaktion (Oxidation von Wasserstoff durch Luft) im Reaktor 13 erhitzt und durch Feuchtigkeit, welche bei der Reaktion erzeugt wird, angefeuchtet.
Nachfolgend wird die Funktion sowie der Effekt der Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Beim normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 nach der Aktivierung reagiert das Brenngasabgas mit Luft (oxidiertes Abgas oder unabhängig zugelieferte zweite Luft) im Reaktor 13, der in der Abgasleitung 12 bereitgestellt ist, um als das Gas nach außen abgegeben zu werden, welches keinen Wasserstoff enthält. Bei Aktivierung der Brennstoffzelle 10 werden das Brenngas und Luft (oxidiertes Abgas von der Brennstoffzelle 10 oder unabhängig gelieferte sekundäre Luft) dem Reaktor 13 zugeführt, und das Brenngas und die Luft werden durch die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs erwärmt und zur Brennstoffzelle 10 geliefert, um diese zu einem früheren Zeitpunkt zu aktivie ren. Der zur Verbrennung des Brenngasabgases bereitgestellte Reaktor 13 dient zur Behandlung des Brenngasabgases, welches von der Brennstoffzelle entladen wird, und dient als die Wärmequelle zum Zwecke einer frühen Aktivierung der Brennstoffzelle. Daher muß keine Wärmequelle (Verbrennungsanlage oder dergleichen), welche ausschließlich zur Aktivierung der Brennstoffzelle verwendet wird, bereitgestellt werden. Die Erfindung macht es möglich, ein kompaktes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, während sie eine frühe Aktivierung zuläßt.
Für den Fall, daß zwei Reaktoren bereitgestellt sind, das bedeutet der erste Reaktor 13A, der mit der Anodenseite verbunden ist, und der zweite Reaktor 13B, der mit der Kathodenseite verbunden ist, wird der erste Reaktor 13A mit einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis λ betrieben, und der zweite Reaktor 13B wird mit einem fetten Luft-/Kraftstoffverhältnis λ bei Aktivierung der Brennstoffzelle betrieben. Das derart erhitzte Brenngas, welches keinen Sauerstoff enthält, und das erwärmte Oxidationsgas, welches keinen Wasserstoff enthält, können an die Brennstoffzelle 10 bei deren Aktivierung geliefert werden. Ein Wasserstoffsensor und ein Sauerstoffsensor können in der Gasleitung bereitgestellt sein, um eine Regelung auszuführen, bei welcher jede Flußrate des Brenngases und des Oxidationsgases bedarfsmäßig ausgewählt wird. Dies ermöglicht eine weiter beschleunigte Aktivierungssteuerung.
Die Sperrventile werden als die Ventile 17A(1) und 17B(1) verwendet, so daß die gesamte Menge des Gases an den Reaktor 13 geliefert werden kann. Die Verwendung der Flußsteuerungsventile ermöglicht, daß ein Anteil des Gases (geeignete Menge) an den Reaktor 13 geliefert wird. Falls das Strömungssteuerventil für die Ventile 17A(1) und 17B(1) verwendet wird, um teilweise Luft zum Reaktor 13 zu liefern, kann die Verbrennung im Reaktor 13 bei dem Luft-/Kraftstoffverhältnis λ innerhalb eines stabilen Verbrennungsbereichs ausgeführt werden, und ermöglicht daher die Stabilisierung der Verbrennung des Wasserstoffs.
Bei den als erste Gruppe der Erfindung bezeichneten Ausführungsformen 1 bis 4 weist das Gas vom Reaktor 13 Feuchtigkeit auf, welches bei der Verbrennung des Brenngases (H₂), welches an die Brennstoffzelle 10 geliefert wird, erzeugt wurde. Das an die Brennstoffzelle gelieferte Brenngas kann nicht nur zu einem früheren Zeitpunkt erwärmt, sondern gleichzeitig angefeuchtet werden. Dies macht es möglich, die Brennstoffzelle zu einem früheren Zeitpunkt in einen stabilen Betriebsbereich zu bringen.
Das spezifische Merkmal der jeweiligen Ausführungsformen der Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
Ausführungsform 1
Bei der Ausführungsform 1 der Erfindung, wie dargestellt in den 1 bis 3, umfaßt die Bypassleitung 14 die Brenngas-Bypassleitung 14A und die Oxidationsgas-Bypassleitung 14B. Der Reaktor 13 umfaßt den ersten Reaktor 13A, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anodenseite der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung eingebracht zu werden, sowie den zweiten Reaktor 13B, welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathodenseite der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung eingebracht zu werden. Das Absperrventil oder An-Aus-Ventil wird für die Ventile 17A(1) und 17B(1), welche in der Versorgungsleitung 11A und 11B, durch welche jeweils das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 10 geliefert werden, bereitgestellt sind, verwendet. Jedes der Ventile 17A(1) und 17B(1) wird wahlweise betätigt, um die gesamte Menge des Brenngases zum ersten Reaktor 13A zu liefern, und die gesamte Menge des Oxidationsgases zum zweiten Reaktor 13B zu liefern.
In diesem Fall sind die Ventile 17A(2), 17A(3), 18A(1), 18A(2) und 19A(2) geöffnet, und die Ventile 17A(1), 19A(3), 19A(4) sind bei Aktivierung geschlossen. Ferner sind die Ventile 17B(2), 17B(3), 17B(4), 18B(1), 18B(2) und 19B(1) geöffnet, und die Ventile 17B(1), 19B(2) und 19B(3) sind geschlossen.
Während des normalen Betriebs sind die Ventile 17A(2), 17A(3) und 19A(2) geschlossen, und die Ventile 17A(1), 19A(3), 19A(4), 18A(1) und 18A(2) sind geöffnet.
Ferner sind die Ventile 17B(2), 17B(3), 17B(4) und 19B(1) geschlossen, und die Ventile 17B(1), 19B(2), 19B(3), 18B(1) und 18B(2) sind geöffnet.
Bezugnehmend auf 2 ist bei Aktivierung der Brennstoffzelle das Ventil 17A(1) geschlossen, so daß die gesamte Menge des gelieferten Brenngases in den ersten Reaktor 13A eingebracht wird, in welchem das Brenngas bei einem mageren Luft-/Kraftstoffverhältnis λ verbrannt und erhitzt wird, und das Brenngas wird ebenfalls durch die Feuchtigkeit, welche bei der Verbrennung erzeugt wird, angefeuchtet, um an die Anodenseite der Brennstoffzelle 10 geliefert zu werden. Ähnlich ist das Ventil 17B(1) geschlossen, so daß die gesamte Menge des gelieferten Oxidationsgases in den zweiten Reaktor 13B geliefert wird, in welchem das Brenngas mit einem fetten Luft-/Kraftstoffverhältnis λ verbrannt und erhitzt wird, und das Oxidationsgas wird ebenso durch Feuchtigkeit, welche bei der Verbrennung erzeugt wird, angefeuchtet, um an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 geliefert zu werden. Dies macht es möglich, die Brennstoffzelle 10 zu einem früheren Zeitpunkt zu aktivieren, sowie die Brennstoffzelle 10 anzufeuchten.
Unter Bezugnahme auf 3 ist während des normalen oder gleichmäßigen Betriebs das Ventil 17A(1) geöffnet, wie in 3 dargestellt, so daß die gesamte Menge des gelieferten Brenngases an die Anodenseite der Brennstoffzelle 10 eingeführt wird, und das Ventil 17B(1) ist geöffnet, so daß die gesamte Menge des gelieferten Oxidationsgases direkt an die Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 eingebracht wird. Das entladene Brenngas wird intermittierend an den ersten Reaktor 13A zum Entladen des Stickstoffs geliefert. Das entladene Oxidationsgas wird konstant an den zweiten Reaktor 13B geliefert, so daß der entladene Wasserstoff und so genannte Geruchsinhalte (odor content) absorbiert werden. Die Verbrennung wird alternativ im ersten Reaktor 13A und im zweiten Reaktor 13B ausgeführt, um den absorbierten Wasserstoff und die Geruchsinhalte durch die Verbrennung zu entfernen. Die in der katalytischen Verbrennung des entladenen Wasserstoffs erzeugte Wärme wird für die vorgenannte Verbrennung verwendet.
Ausführungsforum 2
In der Ausführungsform 2 der Erfindung wird das Strömungssteuerventil für die Ventile 17A(1) und 17B(2) verwendet, welche in den Versorgungsleitungen 11A und 11B bereitgestellt sind, wie in 4 dargestellt. Rückschlagventile (check valves) 21A und 21B (Einwegventil, welches jeweils den Fluß des Gases von der Versorgungsleitung 11A, 11B zum Reaktor 13A, 13B unterbricht) sind gerade stromabwärts der Ventile 17A(3) und 17B(3) bereitgestellt. Die übrige Anordnung ist die gleiche wie die der Ausführungsform 1 der Erfindung.
Da das Strömungssteuerventil für die Ventile 17A(1) und 17B(1) verwendet wird, kann das Verhältnis einer jeden Flußrate des Brenngases und des Oxidationsgases, welches direkt in die Brennstoffzelle 10 geliefert wird, hinsichtlich zu dem des Gases, welches in die Brennstoffzelle 10 über den Reaktor 13 geliefert wird, verändert werden. Als ein Ergebnis kann Wasserstoff in den Reaktoren 13A und 13B mit dem Luft-/Kraftstoffverhältnis in dem stabilen Verbrennungsbereich oxidiert (verbrannt) werden. Andere Funktionen und Effekte der Ausführungsformen sind die selben wie die der ersten Ausführungsform.
Ausführungsform 3
Bei der Ausführungsform 3 der Erfindung umfaßt die Bypassleitung lediglich die Oxidationsgas-Bypassleitung 14B und keine Brenngas-Bypassleitung 14A, wie in 5 dargestellt. Der Reaktor 13 umfaßt lediglich den zweiten Reaktor 13B, welcher das sauerstoffreiche Gas bei Aktivierung abgibt, um an die Kathodenseite der Brennstoffzelle geliefert zu werden. Das in der Versorgungsleitung 11B bereitgestellte Ventil 17B(1), durch welche das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert wird, dient dazu, bei Aktivierung der Brennstoffzelle zumindest einen Anteil des Oxidationsgases (einschließlich eines Anteils des Gases und der gesamten Menge des Gases) zum zweiten Reaktor 13B zu liefern. In dem Fall, bei dem bei Aktivierung der Brennstoffzelle nur ein Anteil des Oxidationsgases zum zweiten Reaktor 13B geliefert wird, ist das Ventil 17B(1) als das Strömungssteuerventil ausgebildet. In dem Fall, bei dem bei Aktivierung der Brennstoffzelle 10 die gesamte Menge des Oxidationsgases zu dem zweiten Reaktor 13B geliefert wird, ist das Ventil 17B(1) als das An-Aus- oder Absperrventil ausgebildet.
Die Funktionen und Effekte der Ausführungsform 3 sind die gleichen wie die der Ausführungsform 1 im Hinblick auf das Oxidationsgas.
Ausführungsform 4
Bei der Ausführungsform 4 der Erfindung umfaßt die Bypassleitung 14 lediglich die Brenngas-Bypassleitung 14A und keine Oxidationsgas-Bypassleitung 14B, wie in 6 dargestellt. Der Reaktor 13 umfaßt lediglich den ersten Reaktor 13A, welcher das wasserstoffreiche Gas bei Aktivierung der Brennstoffzelle entlädt, um an die Anodenseite der Brennstoffzelle geliefert zu werden. Das in der Versorgungsleitung 11A zur Brennstoffzelle bereitgestellte Ventil 17A(1) dient dazu, bei Aktivierung der Brennstoffzelle zumindest einen Anteil des Brenngases (einschließlich lediglich eines Anteil des Brenngases sowie die gesamte Menge des Brenngases) zum ersten Reaktor 13A zu liefern. In dem Fall, in dem bei Aktivierung ein Anteil des Brenngases zum ersten Reaktor 13A geliefert wird, ist das Ventil 17A(1) als das Strömungssteuerventil ausgebildet. In dem Fall, bei dem bei Aktivierung die gesamte Menge des Brenngases zum ersten Reaktor 13A geliefert wird, ist das Ventil 17A(1) als das An-Aus- oder Absperrventil ausgebildet.
Die Funktionen und Effekte der Ausführungsform 4 sind die gleichen wie jene der Ausführungsform 1 bezüglich des Brenngases.
Ausführungsform 5
Bei der Ausführungsform 5 der Erfindung ist die Bypassleitung 14 (die Brenngas-Bypassleitung 14A und/oder die Oxidationsgas-Bypassleitung 14B) außerhalb des Reaktors 13 angeordnet, um nicht mit der Innenseite des Reaktors 13 verbunden zu sein, ist jedoch wärmetauschfähig mit der Innenseite desselben.
Gemäß der Ausführungsform 5 der Erfindung tritt, da das Gas, welches durch die Bypassleitung 14 strömt, nicht durch die Innenseite des Reaktors 13 strömt, die Oxidation von Wasserstoff und Sauerstoff und eine Verbrennung nicht auf. Da keine Feuchtigkeit erzeugt wird, wird das Gas nicht angefeuchtet. Das entladene Brenngas wird jedoch oxidiert, und die erzeugte Wärme wird verwendet, um das gelieferte Gas während des Wärmeaustauschs im Reaktor zu erhitzen. Das gelieferte Gas kann somit erhitzt werden. Andere Funktionen und Effekte sind ähnlich zu denen der Ausführungsform 1.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür
Ein Brennstoffzellensystem umfaßt eine Brennstoffzelle (10), eine Versorgungsleitung (11), durch welche die Brennstoffzelle mit Brenngas und Oxidationsgas versorgt wird, eine Abgasleitung (12), durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle entladen werden, sowie einen Reaktor (13), der in der Abgasleitung (12) bereitgestellt ist, so daß ein Brennstoffabgas der Brennstoffzelle oxidiert wird. Das Brennstoffzellensystem umfaßt ferner eine Bypassleitung (14), welche sich von der Versorgungsleitung (11) erstreckt, um den Reaktor (13) zu erreichen, und zur Versorgungsleitung (11) zurückkehrt, so daß zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche zur Brennstoffzelle auf bzw. bei deren Aktivierung geliefert werden, in die Bypassleitung (14) geliefert und durch den Reaktor (13) erwärmt werden. Die Bypassleitung (14) ist mit einer Innenseite des Reaktors (13) verbunden, so daß das Gas in einer Reaktion im Reaktor (13) bei Aktivierung der Brennstoffzelle erhitzt und angefeuchtet wird.

Claims

Brennstoffzellensystem, welches umfaßt: eine Brennstoffzelle (10); eine Versorgungsleitung (11), durch welche ein Brenngas und ein Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden, und eine Abgasleitung (12), durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas von der Brennstoffzelle (10) strömen, sowie einen Reaktor (13), welcher in der Abgasleitung (12) bereitgestellt ist und ein Brenngasabgas von der Brennstoffzelle oxidiert, das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, daß es ferner aufweist: eine Bypassleitung (14), welche von einer Versorgungsleitung (11) verläuft, um den Reaktor (13) zu erreichen, und zur Versorgungsleitung (11) zurückkehrt, welche einen Fluß von zumindest einem Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases empfängt, welche an die Brennstoffzelle bei deren Aktivierung geliefert werden sollen, um durch eine im Reaktor (13) erzeugte Wärme geheizt zu werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) zumindest eine Brenngas-Bypassleitung (14A) und eine Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist, wobei die Brenngas-Bypassleitung (14A) von der Versorgungsleitung (11), durch welche das Brenngas zur Brennstoffzelle geliefert wird, abgezweigt ist, um durch den Reaktor (13) zu reichen, und zur Versorgungsleitung zurückkehrt, so daß ein wasserstoffreiches Gas durch diese strömt, wobei die Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) von der Versorgungsleitung (11), durch welche das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert wird, abgezweigt ist, um durch den Reaktor (13) zu reichen, und zur Versorgungsleitung zurückkehrt, so daß ein sauerstoffreiches Gas durch diese strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (13) zumindest einen ersten Reaktor (13A) aufweist, welcher zuläßt, daß wasserstoffreiches Gas vom Reaktor in eine Anode der Brennstoffzelle (10) bei deren Aktivierung strömt, sowie einen zweiten Reaktor (13B), welcher zuläßt, daß sauerstoffreiches Gas vom Reaktor in eine Kathode der Brennstoffzelle (10) strömt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner Ventile (17) in der Bypassleitung (14) und in der Versorgungsleitung (11) aufweist, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile betätigt werden, um einen Zustand zwischen einem ersten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche zur Brennstoffzelle bei deren Aktivierung geleitet werden, durch die Bypassleitung (14) und den Reaktor strömt, und einem zweiten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche von der Brennstoffzelle während eines Normalbetriebs nach Aktivierung der Brennstoffzelle entladen werden, durch den Reaktor strömt, auszuwählen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein bei Aktivierung der Brennstoffzelle (10) zum Reaktor (13) geliefertes Gas identisch zu einem Gas ist, das zu einem Gaseinlaß der Brennstoffzelle (10) während eines Normalbetriebs derselben geliefert wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) mit einer Innenseite des Reaktors (13) verbunden ist, so daß das in den Reaktor (13) strömende Gas bei Aktivierung der Brennstoffzelle (10) bei einer im Reaktor (13) erzeugten Reaktion erwärmt und angefeuchtet wird, und zur Brennstoffzelle (10) geliefert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) eine Brenngas-Bypassleitung (14A) und eine Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist; der Reaktor (13) einen ersten Reaktor (13A) aufweist, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen, sowie einen zweiten Reaktor (13B), welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in eine Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen; und daß das in der Versorgungsleitung, durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden, bereitgestellte Ventil (17) ein AN-AUS-Ventil aufweist, welches zuläßt, daß bei Aktivierung der Brennstoffzelle eine gesamte Menge des Brenngases in den ersten Reaktor (13A), und eine gesamte Menge des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor (13B) strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) die Brenngas-Bypassleitung (14A) und die Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist; der Reaktor (13) den ersten Reaktor (13A) aufweist, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle (10) bei deren Aktivierung zu strömen, sowie den zweiten Reaktor 13b, welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen; und daß das in der Versorgungsleitung (14), durch welche das Brenngas und das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden, bereitgestellte Ventil (17) ein Flußsteuerventil aufweist, welches zuläßt, daß bei Aktivierung der Brennstoffzelle ein Anteil des Brenngases in den ersten Reaktor (13A) strömt, und ein Anteil des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor (13b) strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) eine Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist; der Reaktor den zweiten Reaktor (13B) aufweist, welcher das sauerstoffreiche Gas entlädt, um in die Kathode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen, und daß das in der Versorgungsleitung (14), durch welche das Oxidationsgas zur Brennstoffzelle geliefert wird, bereitgestellte Ventil (17) zuläßt, daß bei Aktivierung der Brennstoffzelle zumindest ein Anteil des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor (13B) strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) eine Brenngas-Bypassleitung aufweist; der Reaktor den ersten Reaktor (13A) aufweist, welcher das wasserstoffreiche Gas entlädt, um in die Anode der Brennstoffzelle bei deren Aktivierung zu strömen, und daß das in der Versorgungsleitung (14), durch welche das Brenngas zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird, bereitgestellte Ventil (17) zuläßt, daß bei Aktivierung der Brennstoffzelle zumindest ein Anteil des Brenngases in den ersten Reaktor (13A) strömt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (14) außerhalb des Reaktors (13) angeordnet ist, um nicht mit der Innenseite des Reaktors verbunden zu sein, und derart ausgebildet ist, daß die Wärme zwischen der Bypassleitung (14) und der Innenseite des Reaktors (13) austauschbar ist.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche zur Brennstoffzelle geliefert werden sollen, in eine Bypassleitung (14) bei Aktivierung der Brennstoffzelle (10) eingebracht wird, um durch eine im Reaktor (13) erzeugte Wärme erhitzt zu werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Bypassleitung (14) des Brennstoffzellensystems zumindest eine von einer Brenngas-Bypassleitung (14A) und einer Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserstoffreiches Gas zur Brenngas-Bypassleitung (14A) geliefert wird, und ein sauerstoffreiches Gas zur Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Reaktor (13) des Brennstoffzellensystems zumindest einen von einem ersten Reaktor (13A) und einen zweiten Reaktor (13B) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserstoffreiches Gas vom ersten Reaktor (13A) an eine Anode der Brennstoffzelle (10) bei deren Aktivierung geliefert wird, und ein sauerstoffreiches Gas vom zweiten Reaktor (13B) an eine Kathode der Brennstoffzelle (10) geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zwischen einem ersten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche bei deren Aktivierung zur Brennstoffzelle geliefert werden, durch die Bypassleitung (14) und den Reaktor (13) strömen, und einem zweiten Zustand, bei welchem zumindest ein Anteil des Brenngases und des Oxidationsgases, welche von der Brennstoffzelle (10) während eines normalen Betriebs nach der Aktivierung der Brennstoffzelle entladen werden, durch den Reaktor (13) strömen, ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas, welches zum Reaktor (13) bei Aktivierung der Brennstoffzelle geliefert wird, identisch zu dem ist, welches zu einem Gaseinlaß der Brennstoffzelle (10) bei einem Normalbetrieb desselben geliefert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Brennstoffzellensystem ferner die Bypassleitung (14) umfaßt, welche mit einer Innenseite des Reaktors (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Reaktor strömende Gas bei Aktivierung der Brennstoffzelle (10) in einer im Reaktor (13) erzeugten Reaktion erhitzt und angefeuchtet wird und an die Brennstoffzelle (10) geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bypassleitung (14) des Brennstoffzellensystems eine Brenngas-Bypassleitung (14A) sowie eine Oxidationsgas-Bypassleitung (14B) aufweist, und der Reaktor (13) des Brennstoffzellensystems einen ersten Reaktor (13A) und einen zweiten Reaktor (13B) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine gesamte Menge des Brenngases zum ersten Reaktor (13A) geliefert wird; und eine gesamte Menge des Oxidationsgases zum zweiten Reaktor 13B geliefert wird, bei Aktivierung der Brennstoffzelle.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bypassleitung (14) des Brennstoffzellensystems die Brenngas-Bypassleitung und die Oxidationsgas-Bypassleitung aufweist, und der Reaktor (13) des Brennstoffzellensystems den ersten Reaktor (13A) und den zweiten Reaktor (13B) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des Brenngases an den ersten Reaktor (13A) geliefert wird; und daß ein Anteil des Oxidationsgases an den zweiten Reaktor (13B) geliefert wird, bei Aktivierung der Brennstoffzelle.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bypassleitung (14) des Brennstoffzellensystems eine Oxidationsgasleitung umfaßt, und der Reaktor (13) den zweiten Reaktor (13B) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Anteil des Oxidationsgases in den zweiten Reaktor (13B) bei Aktivierung der Brennstoffzelle geliefert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Bypassleitung (14) des Brennstoffzellensystems eine Brenngas-Bypassleitung umfaßt, und wobei der Reaktor (13) den ersten Reaktor (13A) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Anteil des Brenngases in den ersten Reaktor (13A) bei Aktivierung der Brennstoffzelle geliefert wird.