DE112005000767T5

DE112005000767T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112005000767T5
Application number: DE112005000767T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Toyota Yamazaki; Toyokazu Toyota Baika; Nobuo Toyota Watanabe; Nobuyuki Toyota Kitamura
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2007-03-08
Also published as: CN1943067A; US7824815B2; WO2005099013A1; US20070269695A1; JP2005302421A; JP4701624B2; CN100502120C

Abstract

Brennstoffzellensystem (10, 200), das ein Einlassrohr (45), das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle (20) zuführt, und ein Auslassrohr (51, 52, 221, 222) enthält, das Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde, wobei das Brennstoffzellensystem gekennzeichnet ist durch:
ein das Einlassrohr (45) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbindendes Umwälzrohr (61, 62, 220);
ein Umwälzventil (60), das sich im Umwälzrohr befindet und so betrieben wird, dass es die Durchflussmenge des Abgases anpasst, das dem Einlassrohr (45) vom Auslassrohr (51, 52, 221, 222) aus zugeführt wird; und
einem Druckerzeugungselement, das sich im Auslassrohr (51, 52, 221, 221) befindet und an einer Stelle, an der das Umwälzrohr (61, 62, 220) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbunden sind, einen Druck erzeugt, der zumindest höher als der Atmosphärendruck ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das Abgas umwälzt, das von einer Sauerstoffelektrode einer Brennstoffzelle abgegeben wurde, um es wiederzuverwenden.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas (d.h. Luft) und einem Brennstoffgas (d.h. Wasserstoff) erfordert eine Befeuchtung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsgases, damit eine vorbestimmte Stromerzeugungsleistung erzielt wird. Wie die JP-A-8-500931 offenbart, wird das durch die elektrochemische Reaktion auf der Sauerstoffelektrode erzeugte Abgas, das, Dampf enthält, im Brennstoffzellensystem im Allgemeinen zu der Seite umgewälzt, der das Oxidationsgas zugeführt wird.
Das oben angesprochene System passt die Durchflussmenge des umzuwälzenden Abgases an, um so eine geeignete Befeuchtung durchzuführen, ohne auf der Seite, der das Oxidationsgas zugeführt wird, ein Befeuchtungsmodul zu verwenden. Die JP-A-2002-343398 offenbart eine Technologie, bei der eine Umgehungsleitung so ausgebildet ist, dass der Wassergehalt in der Brennstoffzelle innerhalb kurzer Zeit entfernt wird, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle angehalten wird.
Das oben angesprochene Brennstoffzellensystem enthält, wie in 5 gezeigt ist, stromaufwärts von einem Verdichter ein Einlassrohr A, das das Oxidationsgas einlässt, ein Auslassrohr B, das das Abgas vom Brennstoffzellenstapel aus abführt, und ein Verbindungsrohr C, das diese beiden Rohre A und B verbindet. In dem Verbindungsrohr C befindet sich ein Umwälzventil V2, um die Durchflussmenge des Abgases anzupassen. Ein Ende des Verbindungsrohrs C ist mit einem Abschnitt stromabwärts von einem Druckregelventil V1 verbunden, das den Innendruck des Brennstoffzellenstapels regelt. Das Abgas vom Brennstoffzellenstapel wird über das Druckregelventil V1, das zur Befeuchtung des dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Oxidationsgases verwendet wird, während der Abführung des Abgases nach außen vom Auslassrohr B in das Einlassrohr A eingelassen.
Dem oben genannten Brennstoffzellensystem gelingt es nicht, die Durchflussmenge des umzuwälzenden Abgases passend zu steuern und entsprechend die Befeuchtungsmenge anzupassen. Da ein Ende des Umwälzventils V2 mit einem Abschnitt um einen Auslass für das Abgas herum verbunden ist, entspricht der Druck am Einlass des Umwälzventils V2 ungefähr dem Atmosphärendruck. Daher ist die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Umwälzventils V2 klein, was es schwierig macht, eine geeignete Durchflussmengensteuerung auszuführen. Abgesehen davon wird das Abgas, nachdem es durch das Druckregelventil V1 gegangen ist, in Übereinstimmung mit der nachgefragten Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels durch die Änderung der Durchflussmenge beeinflusst, was zu einer Druckschwankung führen kann. Die Durchflussmengensteuerung des umgewälzten Abgases erfordert angesichts der Druckschwankung eine noch kompliziertere Steuerung des Umwälzventils V2.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das die Steuerbarkeit des Ventils verbessert, welches das Abgas zur Einlassseite umwälzt.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem enthält ein Einlassrohr, das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle zuführt, und ein Auslassrohr, das Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde. Das Brennstoffzellensystem ist mit einem das Einlassrohr und das Auslassrohr verbindenden Umwälzrohr, einem Umwälzventil, das sich im Umwälzrohr befindet und so betätigt wird, dass es die Durchflussmenge des Abgases anpasst, das dem Einlassrohr vom Auslassrohr aus zugeführt wird, und einem Druckerzeugungselement ausgestattet, das sich im Auslassrohr an einer Stelle befindet, an der das Umwälzrohr und das Auslassrohr verbunden sind, und einen Druck erzeugt, der zumindest höher als der Atmosphärendruck ist.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ermöglicht das Druckerzeugungselement es, dass das Abgas die stromaufwärtige Seite des Umwälzventils mit einem höheren Druck als der Atmosphärendruck erreicht. Das heißt also, dass die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Umwälzventils auf größer oder gleich einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Dies ermöglicht es, die Steuerbarkeit des Umwälzventils zu verbessern. Es wird eine passende Menge Abgas umgewälzt, so dass dem Oxidationsgas auf der Einlassseite eine passend Menge Dampf zugeführt wird.
Demnach kann die Befeuchtungsmenge an der Einlassseite wirksam angepasst werden.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem kann das Druckerzeugungselement als ein Abgasdruckregelventil ausgebildet sein, das den Druck des durch das Auslassrohr fließenden Abgases auf einen vorbestimmten Druckwert regelt.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem wird der Druck des durch das Umwälzventil fließenden Abgases in Übereinstimmung mit dem Steuerungsbereich des Druckregelventils so angepasst, dass es in einen vorbestimmten Druckbereich gebracht wird, der höher als der Atmosphärendruck ist. Selbst wenn der Druck des von der Brennstoffzelle abgegebenen dampfhaltigen Abgases abhängig von der Ausgangsleistung schwankt, kann eine solche Druckschwankung eingeschränkt werden, so dass der Druck des in das Umwälzventil fließenden Abgases stabilisiert wird. Dies ermöglicht es, die Steuerbarkeit des Umwälzventils zu verbessern. Die Verwendung des vorhandenen Druckregelventils erlaubt eine leichte Drucksteuerung des in das Umwälzventil fließenden Abgases.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem kann ein Ende des das Abgas umwälzenden Umwälzrohrs mit dem Auslassrohr an einer Stelle zwischen der Brennstoffzelle und dem Abgasdruckregelventil verbunden sein.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem befindet sich am Auslassrohr ein Sensor, der den Abgasdruck erfasst. Das Abgasdruckregelventil kann so aufgebaut sein, dass es seinen Öffnungsgrad elektrisch auf Basis eines vom Sensor gesendeten elektrischen Signals anpasst.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem wird der Öffnungsgrad des Abgasdruckregelventils elektrisch auf Basis des erfassten Abgasdrucks gesteuert. Demnach kann der Druck des in das Umwälzventils fließenden Abgases präzise angepasst werden.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem kann das Druckerzeugungselement als ein Druckregelventil ausgebildet sein, das den Druck innerhalb der Brennstoffzelle regelt. Darüber hinaus kann ein Ende des das Abgas umwälzenden Umwälzrohrs mit dem Auslassrohr an einer Stelle zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil verbunden sein.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem geht das Abgas, das dem Auslassrohr zwischen der Brennstoffzelle und dem Druckregelventil entnommen wird, durch das Umwälzrohr, um dann in das Umwälzventil zu fließen. Der Abgasdruck wird durch das Druckregelventil auf einen vorbestimmten Druckwert gesteuert. Das Leitungssystem zum Umwälzen des Abgases ist in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet, dass keine zusätzliche Einrichtung mehr erforderlich ist. Dies ermöglicht es, das System so zu gestalten, dass die Steuerbarkeit des Umwälzventils mit einer geringeren Anzahl an Bauteilen verbessert wird.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem befindet sich um die Brennstoffzelle herum am Auslassrohr ein Sensor, der den Abgasdruck erfasst. Das Druckregelventil kann so aufgebaut sein, dass es seinen Öffnungsgrad elektrisch auf Basis eines vom Sensor gesendeten elektrischen Signals anpasst.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem wird der Öffnungsgrad des Druckregelventils elektrisch auf Basis des erfassten Abgasdrucks gesteuert. Demnach kann der Druck des in das Umwälzventil fließenden Abgases präzise angepasst werden.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann das Druckerzeugungselement entweder als eine Drossel oder als ein Ablassventil ausgebildet sein, die/das sich im Auslassrohr stromabwärts von einer Stelle befindet, an der das Umwälzrohr und das Auslassrohr verbunden sind. Der Abgasdruck innerhalb des Rohrs wird in dem Brennstoffzellensystem vor dem Durchgang durch die Drossel auf einen höheren Wert als der Atmosphärendruck eingestellt. Demnach fließt das Abgas mit einem höheren Druck in das Umwälzventil, was die Steuerbarkeit des Umwälzventils verbessert.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem kann die Sauerstoffgaszuführungsquelle, die der Brennstoffzelle das Oxidationsgas zuführt, mit einem Verdichter ausgestattet sein, der von außen durch das Einlassrohr hindurch Luft einleitet.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem wird das Oxidationsgas von dem Verdichter eingelassen, um dann der Brennstoffzelle zugeführt zu werden, wobei der Druck im Einlassrohr negativ wird. Die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seite des Umwälzventils erhöht sich, was die Steuerbarkeit des Umwälzventils verbessert.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem ist die von dem Verdichter eingeleitete Luft Umgebungsluft.
Ein anderes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem enthält ein Einlassrohr, das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgas zuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle zuführt, und ein Auslassrohr, das Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde. Die Brennstoffzelle ist mit einem das Einlassrohr und das Auslassrohr verbindenden Umwälzrohr, einem Umwälzventil, das sich im Umwälzrohr befindet und so betätigt wird, das es die Durchflussmenge des Abgases anpasst, das dem Einlassrohr vom Auslassrohr aus zugeführt wird, und einem Druckerzeugungselement ausgestattet, das sich im Auslassrohr befindet und einen Druck erzeugt, der an einer Stelle, an der das Umwälzrohr und das Auslassrohr verbunden sind, höher als der Druck innerhalb des Einlassrohrs ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen für gleiche Elemente verwendet wurden und die Folgendes zeigen:
1 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 schematisch eine Einheitszelle;
3 ein Blockdiagramm mit Signalen, die in eine Steuerungseinheit des Brennstoffzellensystems eingegeben und aus dieser ausgegeben werden;
4 schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 schematisch ein Brennstoffzellensystem nach dem Stand der Technik.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele und ein abgewandeltes Beispiel der Erfindung beschrieben.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das System ist als ein Brennstoffzellensystem 10 ausgebildet, das durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Strom erzeugt, und ist in einem Fahrzeug eingebaut, das durch den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom angetrieben wird.
Wie in 1 zu erkennen ist, wird das Brennstoffzellensystem 10 in erster Linie durch einen Brennstoffzellenstapel 20, ein Wasserstoffsystem 30, ein Luftsystem 40, ein Auslasssystem 80, ein Ausgabesystem 90, eine Steuerungseinheit 120 und dergleichen gebildet.
Der Brennstoffzellenstapel 20 enthält eine Vielzahl von Einheitszellen 21, die jeweils übereinander gestapelt eine Wasserstoffelektrode (nachstehend als Anode bezeichnet) und eine Sauerstoffelektrode (nachstehend als Kathode bezeichnet) aufweisen. Die gestapelten Einheitszellen 21 befinden sich zwischen Endplatten 28, 29.
2 zeigt schematisch den Aufbau der Einheitszelle 21. Die Einheitszelle 21 wird durch Aufeinanderstapeln eines Separators 22, einer Anode 23, eines Elektrolyts 24, einer Kathode 25 und eines Separators 26 gebildet. Die Separatoren 22, 26 haben Nute 27, die jeweils als ein Durchflussweg dienen, der den Durchgang des Wasserstoffgases, des Sauerstoffgases und des Kühlmittels erlaubt. Über die Nute 27 werden der Anode 23 und der Kathode 25 das Wasserstoffgas bzw. das Sauerstoffgas zugeführt.
Das der Anode 23 zugeführte Wasserstoffgas reagiert mit einem Katalysator auf einer katalytischen Schicht, die die Anode 23 bildet, um ein Wasserstoffion zu erzeugen. Das Wasserstoffion geht durch den Elektrolyten 24 und reagiert auf der Kathode 25 mit Sauerstoff, der im Sauerstoffgas enthalten ist. Durch diese elektrochemische Reaktion wird in der Einheitszelle 21 elektrischer Strom erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 20 wird aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteter Einheitszellen 21 gebildet, um so einen hohen Strom ausgeben zu können. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als die Elektrolytmembran 24 Nafion^®, ein Festpolymermembranprodukt, eingesetzt. Die Elektrolytmembran 20 funktioniert gut im feuchten Zustand.
Die Endplatte 28 enthält eine Einlassöffnung, durch die verschiedene Arten an Fluid, etwa das Wasserstoffgas, das Oxidationsgas oder das Kühlmittel, in den Brennstoffzellenstapel 20 eingespeist werden, und eine Auslassöffnung, durch die das Fluid nach außen abgeführt wird. Diese Öffnungen sind mit den jeweiligen Rohren verbunden. Die verschiedenen Arten an Fluid, die durch die Einlassöffnung zugeführt werden, werden entsprechend den Nuten 27 der Einheitszellen 21 zugeführt, so dass die elektrochemische Reaktion störungsfrei ablaufen kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als Oxidationsgas Luft und als Kühlmittel Kühlwasser verwendet.
Das Wasserstoffsystem 30 wird wie in 1 gezeigt von einem Wasserstoffbehälter 31, einer Wasserstoffumwälzpumpe 32, einem Leitungssystem und dergleichen gebildet und ist über das Leitungssystem mit der Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden. Der Druck und die Durchflussmenge des unter einem hohen Druck im Wasserstoffbehälter 31 gespeicherten Wasserstoffgases werden von einem (nicht gezeigten) Ventil angepasst, das dann in den Brennstoffzellenstapel 20 eingespeist wird. Es ist auch möglich, Methan, Methanol und dergleichen zu reformieren, um Wasserstoff zu erzeugen, der dann anstelle des vom Wasserstoffbehälter 31 zugeführten Wasserstoffgases eingespeist wird.
Das von dem Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Wasserstoffgas wird durch eine Wasserstoffumwälzpumpe 32 wieder in Umlauf gebracht. Dies ermöglicht es, das abgeführte Wasserstoffgas effektiv zu nutzen, das nicht der elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde.
Das Luftsystem 40 wird in erster Linie von einer Einlassleitung, die dem Brennstoffzellenstapel 20 Luft zuführt, einer Auslassleitung, die Luft vom Brennstoffzellenstapel 20 abführt, und einer Umwälzleitung gebildet, die Luft von der Auslassleitung zur Einlassleitung umwälzt.
Die Einlassleitung wird von der stromaufwärtigen Seite des dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten Luftstroms ausgehend von einem Luftfilter 41, einem Luftmengenmesser 42, einem Luftverdichter 43, einem Zwischenkühler 44 und Einlassrohren 45, 46 gebildet, die die zuvor genannte Ausstattung verbinden. Die Einlassleitung ist über das Einlassrohr 46 mit der Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden.
Die von außen eingelassene Luft wird durch den Luftfilter 41 gereinigt, geht durch den Luftmengenmesser 42 und wird durch den Luftverdichter 43 verdichtet. Diese Luft wird dann durch den Zwischenkühler 44 gekühlt, um dann dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt zu werden. Der Luftverdichter 43 wird von einem Motor angetrieben, so dass die Luft entsprechend der Drehzahl des Motors eingeleitet wird. Der Druck innerhalb des Einlassrohrs 45 wird bei der oben genannten Lufteinleitung negativ.
Der Luftmengenmesser 42 erfasst die Durchflussmenge der von außen eingeleiteten Luft. Die Durchflussmenge der eingeleiteten Luft wird zur Steuerungseinheit 20 ausgegeben, die den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 steuert, auf dessen Basis der Motor des Luftverdichters 43 gesteuert wird.
Die Auslassleitung wird indessen von der stromaufwärtigen Seite des vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebenen (als Kathodenabgas bezeichneten) Luftstroms ausgehend von einem Druckregelventil 50, einem Abgasdruckregelventil 59, Auslassrohren 51, 52, die die oben genannte Ausstattung verbinden, und dergleichen gebildet. Die Auslassleitung ist über das Auslassrohr 51 mit der Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20 verbunden.
Das vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Kathodenabgas wird über das Druckregelventil 50, das Abgasdruckregelventil 59 und die diese Druckregelventil verbindenden Auslassrohre 51, 52 von einem Schalldämpfer 81 des Auslasssystems 80 abgeführt.
Der Öffnungsgrad des Druckregelventils 50 wird so gesteuert, dass der Druck der Luft angepasst wird, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zuzuführen ist. Das Abgasdruckregelventil 59 passt den Druck des Auslassrohrs 52 an, der in Übereinstimmung mit der Betriebsanforderung schwankt, damit er in einen vorbestimmten Bereich gebracht wird. Für das Druckregelventil 50 und das Abgasdruckregelventil 59 kann ein Tellerventil eingesetzt werden, dessen Öffnungsgrad durch Vorschieben oder Zurückziehen des Tellers angepasst wird. Die Steuerung des Öffnungsgrads des angesprochenen Ventils kann durch Steuern des Rotationswinkels des Motors erfolgen, der zum Antreiben des Tellerventils dient.
Das Auslassrohr 51 ist mit einem Temperatursensor 55 und einem Drucksensor 56 und das Auslassrohr 52 mit dem Drucksensor 57 ausgestattet. Die elektrischen Signale von diesen Sensoren werden zur Steuerungseinheit 120 ausgegeben, um verschiedene Arten an Ventilen zu steuern.
Die Umwälzleitung wird von einem Umwälzventil 60 und Umwälzrohren 61, 62 gebildet. Das Umwälzrohr 61 verbindet das Auslassrohr 52 und das Umwälzventil 60 und das Umwälzrohr 62 das Umwälzventil 60 und das Einlassrohr 45. Das vom Brennstoffzellenstapel 20 abgegebene Kathodenabgas geht über das Druckregelventil 50 durch das Auslassrohr 52 und fließt in das Abgasdruckregelventil 59. Dabei fließt dann das gesamte Kathodenabgas oder ein Teil davon über das Auslassrohr 52 und das Umwälzrohr 61 in das Umwälzventil 60.
Das Umwälzventil 60 regelt die Durchflussmenge des Kathodenabgases durch derartiges Anpassen seines Öffnungsgrads, dass das Kathodenabgas dem Einlassrohr 45 über das Umwälzrohr 62 mit einer vorbestimmten Durchflussmenge zugeführt wird. In der Kathode 25 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 wird durch die elektrochemische Reaktion Wasser (Dampf) erzeugt. Das abgeführte Kathodenabgas enthält demnach Wasser und befindet sich somit im feuchten Zustand. Das Umwälzventil 60 führt dem Einlassrohr 45 Luft im feuchten Zustand zu. Für das Umwälzventil 60 wird bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung das Tellerventil eingesetzt.
Der Luftverdichter 43 lässt sowohl über das Umwälzventil 60 zugeführte und im feuchten Zustand befindliche Luft als auch frisch von außen zugeführte Luft ein, die dann dem Brennstoffzellenstapel 20 als befeuchtete Luft zugeführt wird. Das Umwälzventil 60 steuert direkt die Durchflussmenge des umgewälzten Kathodenabgases, so dass die Menge der dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführten befeuchteten Luft gesteuert wird. Das Brennstoffzellensystem 10 dieses Ausführungsbeispiels hat kein Befeuchtungsmodul, um die Luft in der Einlassleitung zu befeuchten.
Das Kühlsystem 70 wird von einem Kühler 71, einer Pumpe 72 und einem Rohr gebildet, das den Kühler 71 und die Pumpe 72 verbindet. Die Endplatte 28 des Brennstoffzellenstapels 20 ist über das Rohr mit dem Kühlsystem 70 verbunden. Die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt Wärme, welche die Temperatur darin erhöht. Das Kühlwasser, das im Brennstoffzellenstapel 20 fließt, um den Temperaturanstieg darin zu unterdrücken, wird durch den Kühler 71 gekühlt und dann von der Pumpe 72 umgewälzt.
Das Auslasssystem 80 hat einen mit dem Luftsystem 40 verbundenen Schalldämpfer 81, um das Abgas vom Brennstoffzellenstapel 20 zur Außenseite des Brennstoffzellensystems 10 abzuführen. Während das Stickstoffbestandteile enthaltende Wasserstoffgas von der Wasserstoffumwälzpumpe 32 umgewälzt wird, wird hochkonzentriertes Stickstoffgas erzeugt. Das Auslasssystem 80 ist, auch wenn dies nicht in der Zeichnung dargestellt ist, mit dem Wasserstoffsystem 30 verbunden. Der auf diese Weise erzeugte Stickstoff wird im Wasserstoffsystem 30 verdünnt, um dann zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach außen abgeführt zu werden.
Das Ausgabesystem 90 wird von einem Wechselrichter 91, einem Motor 92 für den Fahrzeugbetrieb, einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 93, einer Sekundärbatterie 94 und dergleichen gebildet. Der elektrische Strom, der durch die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und der Luft erzeugt wird, die dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt werden, wird dazu verwendet, über den Wechselrichter 91 den Motor 92 anzutreiben und damit das Fahrzeug zu betätigen. Ein während der normalen Fahrt oder einer Verzögerung des Fahrzeugs erzeugter Überschuss an elektrischem Strom kann über den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 93 in der Sekundärbatterie 94 gespeichert werden.
Die Steuerungseinheit 120 dient dazu, verschiedene Ventile, Motoren und Pumpen in dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellensystem zu steuern. 3 zeigt ein Blockdiagramm, das die in die Steuerungseinheit 120 eingegebenen und von ihr ausgegebenen Signale darstellt.
Wie in 3 zu erkennen ist, ermittelt die Steuerungseinheit 120 auf der Basis von Signalen, die von verschiedenen Sensoren empfangen werden, den Betriebszustand des Fahrzeugs und gibt Signale zur Steuerung der Stellglieder ab.
Und zwar empfängt die Steuerungseinheit 120 von den Drucksensoren 56, 57, dem Temperatursensor 55, dem Luftmengenmesser 42, dem Gaspedalstellungssensor 121, dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 122 und dergleichen Signale, die jeweils die Drücke P1, P2, die Temperatur T, die Luftdurchflussmenge q, die Gaspedalstellung θ, die Fahrzeuggeschwindigkeit V und dergleichen angeben, auf deren Basis die erforderliche Ausgangsleistung (elektrischer Strom) berechnet wird, um so das Brennstoffzellensystem 10 durch Steuerung des Luftverdichters 43, des Druckregelventils 50, des Umwälzventils 60, des Abgasregelventils 59, der Wasserstoffumwälzpumpe 32, der Pumpe 70 und dergleichen zu betreiben.
Die Steuerungseinheit 120 steuert die Befeuchtungsmenge und dient somit als das Befeuchtungsmodul, das im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 10 nicht vorgesehen ist. Und zwar berechnet die Steuerungseinheit 120 die für die Luftzufuhrleitung benötigte Befeuchtungsmenge, um dann den Öffnungsgrad des Umwälzventils 60 zu steuern. Wenn zum Beispiel festgestellt wird, dass die Befeuchtungsmenge nicht der erforderlichen Menge entspricht, erhöht die Steuerungseinheit 120 den Öffnungsgrad des Umwälzventils 60. Wenn dagegen festgestellt wird, dass die Befeuchtungsmenge über die erforderliche Menge hinausgeht, verringert die Steuerungseinheit 120 den Öffnungsgrad des Umwälzventils 60.
Die Befeuchtungsmenge kann auf Basis von Erfassungswerten, die Ausgangssignale wie den Stromwert und den (nicht gezeigten) Spannungswert des Brennstoffzellenstapels 20 einschließen, der von dem Temperatursensor 55 erfassten Temperatur T, der vom Luftmengenmesser 42 erfassten Durchflussmenge q, der aus der Motordrehzahl des Luftverdichters 43 abgeleiteten Einlassluftmenge und einem vorgegebenen Kennfeld für den Wassergehalt berechnet werden. Die der erforderlichen Befeuchtungsmenge entsprechende Umwälzdurchflussmenge des Kathodenabgases wird auf Basis des berechneten Wassergehalts bestimmt, um so den Öffnungsgrad des Umwälzventils 60 zu bestimmen.
Wenn während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von der Steuerungseinheit 120 festgestellt wird, dass die Stromerzeugungs menge des Brennstoffzellenstapels 20 basierend auf dem Betriebszustand erhöht worden ist, wird von dem Luftsystem 40 die Luftzufuhrmenge erhöht, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Und zwar führt die Steuerungseinheit 120 eine Steuerung zur Erhöhung der Drehzahl des Motors des Luftverdichters 43 aus.
Bei einer Erhöhung der Drehzahl des Luftverdichters 43 erhöht sich die Durchflussmenge der zugeführten Luft und nehmen auch die Drücke innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20, des Auslassrohrs 51 und dergleichen zu. Der im Auslassrohr 51 befindliche Drucksensor 56 erfasst den Druckwert P1, der sich erhöht hat. Nach Empfang des elektrischen Signals vom Drucksensor 56 führt die Steuerungseinheit 120 die Steuerung zur Verringerung des Druckwerts P1 aus, indem sie den Öffnungsgrad des Druckregelventils 50 erhöht, um den Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 im Großen und Ganzen konstant zu halten.
Bei einer Erhöhung des Öffnungsgrads des Druckregelventils 50 erhöht sich die Durchflussmenge des Kathodenabgases im Auslassrohr 52, so dass der Druck darin steigt. Der im Auslassrohr 52 befindliche Drucksensor 57 erfasst den Druckwert P2, der sich erhöht hat. Nach Empfang des elektrischen Signals vom Drucksensor 57 führt die Steuerungseinheit 120 eine Steuerung zur Verringerung des Druckwerts P2 aus, indem sie den Öffnungsgrad des Abgasdruckregelventils 59 erhöht, um den Druck im Auslassrohr 52 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
Wenn von der Steuerungseinheit 120 festgestellt wird, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 der vom Brennstoffzellenstapel 20 erzeugte elektrische Strom verringert worden ist, wird die Steuerung zur Verringerung der Drehzahl des Motors des Luftverdichters 43 ausgeführt.
Mit abnehmender Drehzahl des Luftverdichters 43 nimmt der Druck im Auslassrohr 51 ab. Die Steuerungseinheit 120 führt auf Basis des Druckwerts P1 des Drucksensors 56 die Steuerung zur Erhöhung des Druckwerts P1 aus, der sich durch die Verringerung des Öffnungsgrads des Druckregelventils 50 verringert hat.
Mit abnehmendem Öffnungsgrad des Druckregelventils 50 verringert sich der Druck des Auslassrohrs 52. Die Steuerungseinheit 120 führt auf Basis des Druckwerts P2 des Drucksensors 57 die Steuerung zur Erhöhung des Druckwerts P2 aus, der sich durch die Verringerung des Öffnungsgrads des Abgasdruckregelventils 59 verringert hat.
Die Steuerungseinheit 120 führt wie oben beschrieben eine Reihe von Ventilsteuerungen aus, um den Druck in den Abgasrohren 51, 52 jeweils im Großen und Ganzen konstant zu halten. Die Druckschwankung im Kathodenabgas, die durch die Änderung der nachgefragten Ausgangsleistung der Brennstoffzelle hervorgerufen wird, wird also durch die Steuerung des Abgasdruckregelventils 59 so weit eingeschränkt, dass der Druck innerhalb des Auslassrohrs 52 in einen vorbestimmten Bereich gesteuert wird.
Das Kathodenabgas im Auslassrohr 52, dessen Druck auf den vorbestimmten Bereich gesteuert wurde, fließt über das Umwälzrohr 61 in der Umwälzleitung in das Umwälzventil 60. Der Druck des Kathodenabgases stromaufwärts vom Umwälzventil 60 wird konstant innerhalb des vorbestimmten Bereichs gehalten. Das Umwälzventil 60, auf dessen stromaufwärtiger Seite das Kathodenabgas bei einem konstanten Druck gehalten wird, dient dazu, dem Einlassrohr 45 eine vorbestimmte Menge des Kathodenabgases zuzuführen.
Trotz aller Druckschwankung im Kathodenabgas innerhalb des Auslassrohrs 52 kann eine solche Schwankung im Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingeschränkt werden, indem der Öffnungsgrad des Abgasdruckregelventils 59 angepasst wird. Zusätzlich kann der Druck innerhalb des Auslassrohrs 52 (innerhalb des Umwälzrohrs 61) von dem Abgasdruckregelventil 59 auf einen vorbestimmten Wert gesteuert werden, der höher als der Atmosphärendruck ist, so dass die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Seite des Umwälzventils 60 erhöht wird. Dies ermöglicht es, der stromaufwärtigen Seite des Umwälzventils 60 das Kathodenabgas mit stabilisiertem Druck zuzuführen, um so die Steuerbarkeit des Umwälzventils 60 zu verbessern. Somit kann der Luft an der Einlassseite die passende Menge Dampf zugeführt werden.
Für das Druckregelventil 50, das Abgasdruckregelventil 59 und das Umwälzventil 60 kann ein Ventil der Tellerbauart eingesetzt werden. Allerdings kann auch ein Ventil der Butterfly-Bauart eingesetzt werden. Es ist auch möglich, zum Antrieb des Tellers einen Solenoid zu verwenden. In diesem Fall kann eine Einschaltdauersteuerung ausgeführt werden, um den Ventilkörper wiederholt mit einem vorbestimmten Zyklus (Ein-Aus-Betrieb) anzutreiben.
Beim ersten Ausführungsbeispiel wird das Abgasdruckregelventil 59 auf Basis des Druckwerts P2 des Drucksensors 57 gesteuert. Allerdings kann diese Steuerung auch auf Basis des Druckwerts P1 des Drucksensors 56 ausgeführt werden. Es ist auch möglich, den Steuerungsbefehl zum Abgasdruckregelventil 59 auszugeben, was gleichbedeutend mit dem einen Ausgangssignal von der Steuerungseinheit 120 an das Druckregelventil 50 ist. In beiden Fällen erlaubt der vorliegende Prozess zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, dass die Drucksteuerung des Auslassrohrs 52 in einen vorbestimmten Bereich gebracht wird.
Beim ersten Ausführungsbeispiel wird das Abgasdruckregelventil 59 zur Steuerung des Drucks des Kathodenabgases verwendet, das in das Umwälzventil 60 fließt. Es ist auch möglich, anstelle des Abgasdruckregelventils 59 im Rohr eine Drossel vorzusehen. In diesem Fall wird der Druck des durch das Umwälzrohr 61 fließenden Kathodenabgases so gesteuert, dass er höher als der des Kathodenabgases im Auslasssystem 80 ist. Und zwar kann eine Drossel mit vorgegebener Größe die Druckdifferenz zwischen den Umwälzrohren 61 und 62 so weit erhöhen, dass sich die Steuerbarkeit des Umwälzventils 60 verbessert.
4 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie sich aus 4 ergibt, wird ein Brennstoffzellensystem 200 in erster Linie von einem Brennstoffzellenstapel 20, einem Wasserstoffsystem 30, einem Luftsystem 210, einem Kühlsystem 70, einem Auslasssystem 80, einem Ausgabesystem 90 und dergleichen gebildet.
Das Brennstoffzellensystem 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gleicht dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Ausnahme eines Teils des Luftsystems 210. Die nicht zu diesem Teil des Luftsystems 210 gehörenden Bauteile des Brennstoffzellensystems 200 sind mit den gleichen Bezugszahlen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet, wobei eine Erläuterung von ihnen entfällt. Das Brennstoffzellensystem 200 enthält eine (nicht gezeigte) Steuerungseinheit, die verschiedene Stellglieder steuert, welche die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel sind.
Wie in 4 zu erkennen ist, wird das Luftsystem 210 von einer Einlassleitung, einer Auslassleitung und einer Umwälzleitung gebildet, die denen im ersten Ausführungsbeispiel ähneln. Die Auslassleitung enthält einen Temperatursensor 55, ein Auslassrohr 221 mit einem Drucksensor 56 darin, ein Druckregelventil 50 zum Regeln des Drucks innerhalb des Brennstoffzellenstapels 20 und ein Auslassrohr 222, das das Kathodenabgas durch das Druckregelventil 50 zum Auslasssystem 80 leitet. Die Auslassrohre 221, 222 entsprechen den Auslassrohren 51, 52 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und haben die gleiche Funktion. Die Auslassleitung des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von der des ersten Ausführungsbeispiels insofern, als kein Abgasdruckregelventil vorgesehen ist.
Die Umwälzleitung wird von einem Umwälzventil 60, Umwälzrohren 62, 220 und dergleichen gebildet. Die Umwälzleitung des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels insofern, als das durch die Auslassleitung fließende Kathodenabgas zur Einlassleitung umgewälzt wird. Allerdings unterscheidet sich beim zweiten Ausführungsbeispiel die Stelle, an der das mit dem Umwälzventil 60 verbundene Umwälzrohr 220 mit der Auslassleitung verbunden ist, von der des ersten Ausführungsbeispiels.
Ein Ende des Umwälzrohrs 220 ist mit dem Auslassrohr 221 so verbunden, dass dem Umwälzventil 60 das Kathodenabgas zwischen der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 und der stromaufwärtigen Seite des Druckregelventils 50 zugeführt wird. Der Druck des Kathodenabgases innerhalb des Auslassrohrs 221 wird durch das Druckregel ventil 50, das die Drucksteuerung ausführt, im Großen und Ganzen konstant gehalten.
Bei dem Brennstoffzellensystem 200 des zweiten Ausführungsbeispiels wird der Druck des durch das Auslassrohr 221 zwischen der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 20 und der stromaufwärtigen Seite des Druckregelventils 50 fließenden Kathodenabgases durch das die Drucksteuerung ausführende Druckregelventil 50 bei einem vorgegebenen Wert gehalten. Demnach kann das System zur Verbesserung der Steuerbarkeit des Umwälzventils 60 mit weniger Bauteilen gebildet werden.
Es wurden zwar Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, doch versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt ist und in verschiedener Form abgewandelt werden kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Das Brennstoffzellensystem des ersten Ausführungsbeispiels ist so aufgebaut, dass es den Druck stromaufwärts vom Umwälzventil 60 mittels des Abgasdruckregelventils 59 regelt. Es ist auch möglich, anstelle des Abgasdruckregelventils 59 ein Ablassventil einzusetzen. Die Verwendung einer solchen im Durchflussweg als Widerstand dienenden Einrichtung kann den Druck stromaufwärts vom Umwälzventil 60 auf einen Wert einstellen, der größer als oder gleich hoch wie der Druckverlust (zum Beispiel Atmosphärendruck) aufgrund des Widerstands im Rohr des Auslasssystems 80 ist. Durch die Verwendung des Ablassventils kann somit der Druckanstieg, der durch die Ausgangsleistungsschwankung des Brennstoffzellenstapels 20 hervorgerufen wird, eingeschränkt werden.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem (10, 200) enthält ein Einlassrohr (45, 46), das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle (20) zuführt, und ein Auslassrohr (51, 52, 221, 222), die Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle (20) an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde. Das Brennstoffzellensystem (10, 200) ist mit einem das Einlassrohr und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbindenden Umwälzrohr (61, 62, 220), einem Umwälzventil (60), das sich im Umwälzrohr befindet und so betätigt wird, dass die Durchflussmenge des Abgases angepasst wird, das dem Einlassrohr vom Auslassrohr (51, 52, 221, 222) aus zugeführt wird, und einem Druckerzeugungselement ausgestattet, das sich im Auslassrohr (51, 52, 221, 222) an einer Stelle befindet, an der das Umwälzrohr und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbunden sind, und einen Druck erzeugt, der zumindest höher als der Atmosphärendruck ist.

Claims

Brennstoffzellensystem (10, 200), das ein Einlassrohr (45), das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle (20) zuführt, und ein Auslassrohr (51, 52, 221, 222) enthält, das Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde, wobei das Brennstoffzellensystem gekennzeichnet ist durch: ein das Einlassrohr (45) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbindendes Umwälzrohr (61, 62, 220); ein Umwälzventil (60), das sich im Umwälzrohr befindet und so betrieben wird, dass es die Durchflussmenge des Abgases anpasst, das dem Einlassrohr (45) vom Auslassrohr (51, 52, 221, 222) aus zugeführt wird; und einem Druckerzeugungselement, das sich im Auslassrohr (51, 52, 221, 221) befindet und an einer Stelle, an der das Umwälzrohr (61, 62, 220) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbunden sind, einen Druck erzeugt, der zumindest höher als der Atmosphärendruck ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem das Druckerzeugungselement ein Abgasdruckregelventil (59) umfasst, das den Druck des durch das Auslassrohr (51, 52) fließenden Abgases auf einen vorbestimmten Druckwert regelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem ein Ende des das Abgas umwälzenden Umwälzrohrs (61, 62) mit dem Auslassrohr (51, 52) an einer Stelle zwischen der Brennstoffzelle (20) und dem Abgasdruckregelventil (59) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, das außerdem durch einen Sensor (57) gekennzeichnet ist, der sich im Auslassrohr (51, 52) befindet, um den Abgasdruck zu erfassen, wobei auf Basis eines vom Sensor (57) abgegebenen elektrischen Signals elektrisch ein Öffnungsgrad des Abgasdruckregelventils (59) geregelt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckerzeugungselement ein Druckregelventil (50) umfasst, das den Druck innerhalb der Brennstoffzelle (20) regelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem ein Ende des das Abgas umwälzenden Umwälzrohrs (220) mit dem Auslassrohr (221) an einer Stelle zwischen der Brennstoffzelle (20) und dem Druckregelventil (50) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, das außerdem durch einem Sensor (56) gekennzeichnet ist, der sich im Auspuffrohr (51, 221) an einer Stelle nahe der Brennstoffzelle (20) befindet, um den Abgasdruck zu erfassen, wobei auf Basis eines vom Sensor (56) abgegebenen elektrischen Signals elektrisch ein Öffnungsgrad des Druckregelventils (50) geregelt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Druckerzeugungselement entweder eine Drossel oder ein Ablassventil umfasst, die/das sich im Auslassrohr (51, 52, 221, 222) stromabwärts von einer Stelle befindet, an der das Umwälzrohr und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbunden sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sauerstoffgaszuführungsquelle, die der Brennstoffzelle (20) das Oxidationsgas zuführt, mit einem Verdichter (43) ausgestattet ist, der von außen durch das Einlassrohr (45) hindurch Luft einleitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, bei der die vom Verdichter (43) eingeleitete Luft Umgebungsluft ist.
Brennstoffzellensystem (10, 200), das ein Einlassrohr (45), das eine Einleitung von Oxidationsgas stromaufwärts von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zulässt, die das Oxidationsgas einer Brennstoffzelle (20) zuführt, und ein Auslassrohr (51, 52, 221, 222) enthält, das Abgas abführt, das Dampf enthält, der durch den Betrieb der Brennstoffzelle an einer Sauerstoffelektrodenseite erzeugt wurde, wobei das Brennstoffzellensystem gekennzeichnet ist durch: ein das Einlassrohr (45) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbindendes Umwälzrohr (61, 62, 220); ein Umwälzventil (60), das sich im Umwälzrohr befindet und so betätigt wird, dass es die Durchflussmenge des Abgases anpasst, das dem Einlassrohr (45) vom Auslassrohr (51, 52, 221, 222) aus zugeführt wird; und ein Druckerzeugungselement, das sich im Auslassrohr (51, 52, 221, 222) befindet und an einer Stelle, an der das Umwälzrohr (61, 62, 220) und das Auslassrohr (51, 52, 221, 222) verbunden sind, einen Druck erzeugt, der höher als der Druck innerhalb des Einlassrohrs (45) ist.