DE112005002675T5

DE112005002675T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren

Info

Publication number: DE112005002675T5
Application number: DE112005002675T
Authority: DE
Inventors: Yixin Toyota Zeng
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-09-13
Also published as: CN100570937C; JP4485320B2; US20100330447A1; CN101048909A; WO2006046400A1; JP2006128016A; US20080026268A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) zur Ausführung eines Regenerierungsprozesses, der einen Katalysator in einer Brennstoffzelle (2) aus einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert, wobei der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Katodenseite (12) in der Brennstoffzelle (2) durch Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) durchgeführt wird, die die Fließrate des Oxidationsgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas steuert, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle (2) auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Katalysator auf der Kathodenseite oder auf der Anodenseite in einer Brennstoffzelle regeneriert, und ein Verfahren hierfür.
Bei einer Brennstoffzelle vom Typ Polymer-Elektrolyt verringert sich die Ausgangsspannung über die Zeit hin unter einem konstanten Ausgangsstrom. Einer der bedeutenderen Gründe dafür ist, dass während des Langzeitverfahrens der Brennstoffzelle Verunreinigungen (zum Beispiel eine S-Komponenten enthaltende Substanz, CO usw.) auf dem Katalysator (zum Beispiel Pt) an der Kathodenseite oder der Anodenseite in der Brennstoffzelle niedergeschlagen werden, was die Aktivität des Katalysators erniedrigt.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Ladungsvorrichtung parallel mit einer Brennstoffzelle angeordnet ist (siehe zum Beispiel japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-115318 (Seite 3 und 1)). Bei diesem System werden sowohl oxidierendes Gas als auch Brennstoffgas in überschüssigen Mengen der Brennstoffzelle zugeführt, um einen größeren Strom als bei einem rechnerisch angemessenen Verfahren fließen zu lassen und dadurch den Katalysator auf der Kathodenseite sich erholen zu lassen.
Bei einem solchen konventionellen Brennstoffzellensystem wird jedoch ein überschüssiger Strom über den rechnerischen Stromwert erzeugt, was die Haltbarkeit des Materials in der Brennstoffzelle und der Komponenten in dem System nachteilig beeinflussen könnte.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das angemessen einen Katalysator auf der Kathodenseite oder der Anodenseite reaktivieren kann.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das Mittel für ein Regenerierungsverfahren zur Durchführung eines Regenerierungsprozesses umfasst, der einen Katalysator in einer Brennstoffzelle aus einem Zustand von geringerer Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert. Das Regenerierungsverfahren für den Katalysator auf der Kathodenseite in der Brennstoffzelle wird durch die Mittel zur Regenerierungsdurchführung ausgeführt, die die Fließrate des oxidierenden Gases auf eine geringere als für einen stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung auf das Brennstoffgas verringern, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
Gemäß dieser Ausführung wird die Fließrate des oxidierenden Gases auf eine niedrigere als für einen stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas verringert, so dass das Potential der Kathode abnimmt und die Zellenspannung auf eine vorbestimmte Spannung erniedrig wird. Als Ergebnis findet eine Reaktion an der Kathodenseite statt, die bewirkt, dass auf dem Katalysator abgelagerte Verunreinigungen davon entfernt werden, wodurch der Katalysator in seinen aktiven Zustand reaktiviert wird. Wie oben beschrieben, wird das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Kathodenseite dadurch ausgeführt, dass man die Fließrate des Oxidationsgases auf eine geringere als die für den stabilen Zustand benötigte Rate verringert, was angemessen nachteilige Wirkungen auf die Haltbarkeit der Brennstoffzellenmaterialien usw. unterdrücken kann.
Hier schließen typische Beispiele des oxidierenden Gases Oxidgas (Sauerstoffgas) und Luft ein. Typische Beispiele für das Brennstoffgas umfassen reinen Wasserstoff, aus Naturgas oder Ähnlichem reformierten Wasserstoff und Methanol.
Während der theoretische Wert der Zellenspannung 1,23 V beträgt, ist hier die Zellenspannung während eines bewerteten Verfahrens des aktuellen Systems in der Größenordnung von 0,8 V bis 1,0 V. Die "vorbestimmte Spannung" kann eine niedrige Spannung sein, die für die Regenerierung der Aktivität des Katalysators auf der Kathodenseite geeignet ist, die z. B. in der Größenordnung von 0,8 bis 0,2 V oder in der Größenordnung von 0,8 V bis 0,3 V liegen kann.
Der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Kathodenseite kann zum Zeitpunkt der Betätigung, während eines bewerteten Verfahrens und zum Zeitpunkt des Anhaltens der Brennstoffzelle insbesondere auf die folgende Weise durchgeführt werden.
Der Regenerierungsprozess an der Kathodenseite wird vorzugsweise durch Regenerierungsverfahrensmittel ausgeführt, die die Zufuhr des oxidierenden Gases nach der Brennstoffzelle nach einer Zeitspanne von dem Start der Zufuhr des Brennstoffgases auf die Brennstoffzelle im Zeitpunkt der Betätigung der Brennstoffzelle starten. In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Mittel zur Regenerierungsdurchführung die Zufuhr des oxidierenden Gases zur Brennstoffzelle starten, wenn die Zellenspannung 0,3 V oder weniger wird.
In ähnlicher Weise wird der Regenerierungsprozess an der Kathodenseite vorzugsweise durch die Regenerierungsverfahrensmittel ausgeführt, die die Fließrate des oxidierenden Gases für eine vorbestimmte Zeitdauer während einer abgeschätzten Operation der Brennstoffzelle verringern.
In ähnlicher Weise wird der Regenerierungsprozess an der Kathodenseite vorzugsweise durch die Regenerierungsverfahrensmittel ausgeführt, die die Zufuhr des oxidierenden Gases zur Brennstoffzelle stoppen, bevor die Zufuhr des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle gestoppt wird.
Im Zeitpunkt des oben beschriebenen Regenerierungsverfahrens wird die Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle vorzugsweise einer mit der Brennstoffzelle verbundenen externen Belastung zugeführt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Regenerierungsverarbeitungsmittel: erste Fließratensteuerungsmittel zur Steuerung der Versorgungsfließrate des zu der Brennstoffzelle geführten Brennstoffgases; und zweite Steuerungsmittel für die Fließrate zur Steuerung der Versorgungsfließrate des oxidierenden Gases, das zu der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die ersten und zweiten Fließratensteuerungsmittel steuern vorzugsweise die Einlaufzeit des Regenerierungsverfahrens.
In diesem Fall besitzen die ersten Steuerungsmittel für die Fließrate wenigstens ein Ventil, das an einer Leitung vorgesehen ist, durch die das Brennstoffgas fließt.
Das zweite Steuerungsmittel für die Fließrate umfasst vorzugsweise wenigstens ein Ventil an einer Leitung, durch die das oxidierende Gas fließt, oder an einer Zuflussvorrichtung für das oxidierende Gas.
In Anbetracht des geschichtlichen Ablaufs, in dem die vorliegende Erfindung erreicht wurde, kann die vorliegende Erfindung von einem anderen Standpunkt aus, wie folgt, betrachtet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nämlich ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das einen Regenerierungsprozess ausführt, der einen Katalysator in einer Brennstoffzelle aus einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert, das eine erste Fließratensteuerung umfasst, die die Zufuhrfließrate des zu der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffgases steuert, und eine zweite Fließratensteuerung, die die Zufuhrfließrate des der Brennstoffzelle zugeführten oxidierenden Gases steuert. Das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Kathodenseite in der Brennstoffzelle wird durch die erste und zweite Fließratensteuerung durchgeführt, die die Abnahme der Fließrate des Oxidationsgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas steuert, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
In diesem Fall wird zum Zeitpunkt des Regenerierungsprozesses Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle vorzugsweise auf eine mit der Brennstoffzelle verbundene externe Ladung geführt.
Der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Kathodenseite kann im Zeitpunkt der Inbetriebnahme, während eines festgelegten Betriebs und zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle spezifisch auf die folgende Weise durchgeführt werden.
Das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Kathodenseite wird vorzugsweise mittels der ersten und zweiten Fließratensteuerung durchgeführt, die den Beginn der Zufuhr des oxidierenden Gases auf die Brennstoffzelle nach einem Zeitraum vom Start der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle im Zeitpunkt des Betreibens der Brennstoffzelle steuert.
Ähnlich wird der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Kathodenseite vorzugsweise durch die erste und zweite Fließratensteuerung ausgeführt, die die Abnahme der Fließrate des oxidierenden Gases für einen vorbestimmten Zeitrum während eines festgelegten Betriebs der Brennstoffzelle steuert.
Auf ähnliche Weise wird der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Kathodenseite vorzugsweise durch das erste und zweite Fließratensteuergerät durchgeführt, das das Stoppen der Zufuhr des oxidierenden Gases auf die Brennstoffzelle vor dem Stoppen der Zufuhr des Brennstoffgases auf die Brennstoffzelle im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle steuert.
Das Steuergerät für die erste Fließrate umfasst vorzugsweise wenigstens ein Ventil an einer Leitung, durch die das Brennstoffgas fließt.
Das zweite Fließratensteuergerät umfasst vorzugsweise wenigstens ein Ventil, das an einer Leitung vorgesehen ist, durch die das oxidierende Gas fließt, oder einer Zufuhrvorrichtung für das oxidierende Gas.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein anderes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das Mittel für das Regenerierungsverfahren zur Durchführung eines Regenerierungsverfahrens umfasst, das einen Katalysator in einer Brennstoffzelle von einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die zu der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert. Der Regenerierungsprozess für den Katalysator auf einer Anodenseite in der Brennstoffzelle wird durch Mittel für die Regenierungsdurchführung durchgeführt, die die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als eine erwünschte Rate für den stabilen Zustand in Beziehung mit dem Oxidationsgas zur Erniedrigung der Zellspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung verringern.
Mit dieser Konfiguration wird, ähnlich im Fall des oben beschriebenen Regenerierungsverfahrens an der Kathodenseite, die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung mit dem oxidierenden Gas verringert, so dass das Potential der Anode sich erhöht und die Zellspannung auf eine vorbestimmte Spannung verringert wird. Als Ergebnis findet eine Reaktion an der Anodenseite statt, die bewirkt, dass die auf dem Katalysator niedergeschlagenen Verunreinigungen davon entfernt werden, wodurch der Katalysator zu seinem aktiven Zustand reaktiviert wird. Wie oben beschrieben, wird der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Anodenseite durch Verminderung der Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als für den stabilen Zustand benötigte Rate durchgeführt, und entsprechend ist es möglich, nachteilige Effekte auf die Haltbarkeit des Brennstoffzellenmaterials usw. auf geeignete Weise zu unterdrücken.
Das Regenerierungsverfahren für den Katalysator auf der Anodenseite, ähnlich wie das Regenerierungsverfahren an der Kathodenseite, kann im Zeitpunkt der Inbetriebnahme, während einer rechnerisch festgelegten Operation und zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle spezifisch in der folgenden Weise ausgeführt werden.
Das Regenerierungsverfahren an der Anodenseite wird vorzugsweise durch die Mittel für die Regenerierungsdurchführung durchgeführt, die die Versorgung des Brennstoffgases nach der Brennstoffzelle hin nach einer Verzögerung von dem Start der Zuleitung von oxidierendem Gas zur Brennstoffzelle hin im Zeitpunkt der Betätigung des Brennstoffzelle starten.
Ähnlich wird das Regenerierungsverfahren auf der Anodenseite vorzugsweise durch Mittel für die Regenerierungsdurchführung ausgeführt, die die Fließrate des Brennstoffgases für eine vorbestimmte Zeitdauer während einer rechnerisch festgelegten Betätigung der Brennstoffzelle verringern.
Ähnlich wird der Regenerierungsprozess an der Anodenseite vorzugsweise durch die Mittel zur Regenerierungsausführung ausgeführt, die die Zufuhr des Brennstoffgases auf die Brennstoffzelle vor dem Stoppen der Zuleitung des oxidierenden Gases auf die Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle stoppen.
Zur Zeit des Regenerierungsprozesses wird Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle vorzugsweise zu einer externen Ladung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, geleitet. Ferner können die Mittel für das Regenerierungsverfahren erste und zweite Fließratensteuerungsgeräte, ähnlich wie oben beschrieben, besitzen, und die ersten und zweiten Fließratensteuerungsgeräte können die Ausführung des Regenerierungsverfahrens steuern.
In Anbetracht der Geschichte, durch die die folgende Erfindung erreicht wurde, kann die vorliegende Erfindung von einem anderen Standpunkt aus wie folgt gesehen werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nämlich ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das einen Regenerierungsprozess ausführt, der einen Katalysator in einer Brennstoffzelle von einem Zustand verringerter Aktivität reaktiviert durch Steuerung der Zufuhrfließraten von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, was ein erstes Fließratensteuergerät zur Steuerung der Zufuhrfließrate des Brennstoffgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, und ein zweites Steuergerät für die Fließrate umfasst, das die Zufuhrfließrate des oxidierenden Gases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, steuert. Der Regenerierungsprozess für den Katalysator an einer Anodenseite in der Brennstoffzelle wird durch das erste und zweite Zuflussratensteuergerät ausgeführt, das die Abnahme der Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung mit dem oxidierenden Gas zur Verringerung der Zellenspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung steuert.
In diesem Fall wird zum Zeitpunkt des Regenerierungsverfahrens die Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle vorzugsweise zu einer externen, mit der Brennstoffzelle verbundenen Ladung zugeführt.
Das Regenerierungsverfahren an der Anodenseite wird vorzugsweise durch das erste und zweite Fließratensteuergerät durchgeführt, das den Start der Versorgung des Brennstoffgases auf die Brennstoffzelle nach einer Verzögerung vom Start der Versorgung des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle im Zeitpunkt der Betätigung der Brennstoffzelle steuert.
Ähnlich wird das Regenerierungsverfahren an der Anodenseite vorzugsweise durch das erste und zweite Fließratensteuergerät ausgeführt, das die Abnahme der Fließrate des Brennstoffgases für eine vorbestimmte Zeitdauer während einer rechnerisch festgelegten Betätigung der Brennstoffzelle steuert.
Ähnlich wird das Regenerierungsverfahren an der Anodenseite vorzugsweise durch das erste und zweite Fließratensteuergerät durchgeführt, das das Stoppen der Versorgung von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle vor dem Stoppen der Zufuhr des oxidierenden Gases zur Brennstoffzelle im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle kontrolliert.
Das erste Fließratensteuergerät umfasst vorzugsweise wenigstens ein Ventil, das an einer Leitung vorgesehen ist, durch die das Brennstoffgas fließt.
Das zweite Fließratensteuergerät umfasst vorzugsweise wenigstens ein Ventil, das an einer Leitung vorgesehen ist, durch die das oxidierende Gas fließt, oder an einer Zufuhrvorrichtung für das oxidierende Gas.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein anderes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, das umfasst: erste Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) zur Steuerung der Fließrate von Brennstoffgas, das einer Brennstoffzelle zugeführt wird; und zweite Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) zur Steuerung der Fließrate von oxidierendem Gas, das der Brennstoffzelle zugeführt wird; wobei zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle das zweite Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) die Zufuhr von oxidierendem Gas stoppt, nachdem das erste Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) die Zufuhr des Brennstoffgases stoppt, und im Zeitpunkt des Betreibens der Brennstoffzelle startet das zweite Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) die Zufuhr von oxidierendem Gas, nachdem das erste Fließratensteuerungsmittel (Steuerungsgerät) die Zufuhr des Brennstoffgases startet.
Mit dieser Konfiguration kann im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem oxidierenden Gas verringert werden, was es möglich macht, das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Anodenseite durchzuführen. Zur Zeit des Betreibens der Brennstoffzelle kann die Fließrate des oxidierenden Gases auf weniger als im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas verringert werden, was die Durchführung des Regenerierungsverfahrens für den Katalysator an der Kathodenseite möglich macht. Dementsprechend ist es möglich, das Regenerierungsverfahren für die Katalysatoren sowohl an der Kathodenseite als auch an der Anodenseite in angemessener Weise vor dem nächsten theoretisch festgelegten Betrieb der Brennstoffzelle vollständig zu machen, ohne nachteilig die Haltbarkeit der Brennstoffzellenmaterialien usw. zu beeinflussen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Reaktivieren eines Katalysators in einer Brennstoffzelle von einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrfließraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, zur Verfügung gestellt, das den Schritt des Regenerierens des Katalysators an der Kathodenseite in der Brennstoffzelle durch Verringerung der Fließrate des oxidierenden Gases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas umfasst, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein anderes Verfahren zur Reaktivierung eines Katalysators in einer Brennstoffzelle aus einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrfließraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, zur Verfügung gestellt, das den Schritt der Regenerierung des Katalysators an einer Anodenseite in der Brennstoffzelle durch Verringerung der Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem oxidierenden Gas umfasst, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
In diesen Fällen wird der oben beschriebene Regenerierungsschritt vorzugsweise im Zeitpunkt der Inbetriebnahme, im Zeitpunkt des rechnerisch festgelegten Betriebs oder im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle ausgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird noch ein anderes Verfahren zur Reaktivierung eines Katalysators in einer Brennstoffzelle von einem Zustand von niedriger Aktivität durch Steuerung der Zuflussraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, zur Verfügung gestellt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Stoppens der Zufuhr des oxidierenden Gases nach Stoppen der Zufuhr des Brennstoffgases im Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle; und Starten der Zufuhr des oxidierenden Gases nach Starten der Zufuhr des Brennstoffgases im Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle nach dem Schritt des Stoppens.
Gemäß dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Katalysator an der Kathodenseite oder an der Anodenseite auf geeignete Weise zu reaktivieren und die Ausstoßleistung der Brennstoffzelle angemessen aufrechtzuerhalten.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Diagramm, das den Hauptteil in einem Brennstoffzellensystem zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitende Figur beschrieben.
Wie in 1 gezeigt wird, enthält ein Brennstoffzellensystem 1, das zum Beispiel auf einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, eine Brennstoffzelle 2 vom Typ polymerer Elektrolyt, die zur Montage in ein Fahrzeug geeignet ist, und eine Steuerungsvorrichtung 3, die eine Gesamtsteuerung des gesamten Systems durchführt. Die Brennstoffzelle 2 hat eine gestapelte Struktur mit einer großen Anzahl von aufeinandergestapelten einzelnen Zellen, die die Versorgung von Sauerstoff (Luft) als oxidierendem Gas und Wasserstoff als Brennstoffgas bekommt und Strom erzeugt. Im Fall der Anwendung der Brennstoffzelle 2 für stationäre Anwendung ist eine Brennstoffzelle vom Typ polymerer Elektrolyt oder eine Brennstoffzelle vom Typ Phosphorsäure geeignet. Ein stationäres Brennstoffzellensystem hat eine ähnliche Brennstoffzelle 2 und eine ähnliche Steuerungsvorrichtung 3.
Die einzelne Zelle der Brennstoffzelle 2 hat eine Kathode 12 (Luftelektrode) und eine Anode 13 (Brennstoffelektrode), die auf den jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran 11, aus einer Ionenaustauschermembran hergestellt, angeordnet ist. Die Kathode 12 ist mit einer Diffusionsschicht aus zum Beispiel einem porösen Kohlenstoffmaterial angeordnet, an das Platin als ein Katalysator gebunden ist. Ähnlich ist die Anode 13 mit einer Diffusionsschicht eines zum Beispiel porösen Kohlenstoffmaterials angeordnet, an das Platin als Katalysator gebunden ist.
Wasserstoff wird der Anode 13 zugeleitet und die durch Gleichung (1) wiedergegebene Reaktion wird durch den Platinkatalysator an der Anode 13 begünstigt. Sauerstoff wird an die Kathode 12 geleitet und eine Reaktion, wie durch Gleichung (2) angedeutet, wird durch den Platinkatalysator an der Kathode 12 gefördert. Für die einzelne Zelle der Brennstoffzelle 2 als Ganzes findet elektromotorische Reaktion statt, wie durch Gleichung (3) angegeben. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Das oxidierende Gas wird durch einen Kompressor 21 zu der Kathode 12 in der Brennstoffzelle 2 über eine Zufuhrleitung 22 zugeleitet. Das von der Brennstoffzelle 2 abgelassene oxidierende Gas (nichtreagiertes oxidierendes Gas) wird über eine Ablassleitung 23 nach außen abgelassen. Ein Ventil 24 an der Ablassleitung 23 ist so gestaltet, dass es die Fließrate des der Kathode 12 zugeführten oxidierenden Gases einstellen kann. Es ist zu bemerken, dass ein Gebläse als Vorrichtung zur Zufuhr des oxidierenden Gases anstelle des Kompressors 21 verwendet werden kann, um das oxidierende Gas nach der Brennstoffzelle 2 zu pumpen.
Das Brennstoffgas wird in einem Gasvorratsbehälter 31, wie zum Beispiel einem Hochdrucktank, gelagert und wird nach der Anode 13 in der Brennstoffzelle 2 über eine Versorgungsleitung 32 geliefert. Der Gasversorgungsbehälter 31 kann reines Wasserstoffgas lagern oder kann Erdgas oder Gasolin im Fall seines Reformierens zu Wasserstoffgas in einem Fahrzeug oder einem stationären System, zum Beispiel, lagern. In letzterem Fall ist ein Reformer an der Versorgungsleitung 32 vorgesehen und das von dem Reformer reformierte Wasserstoffgas (reformierte Gas) wird zu der Anode 13 geleitet.
Die Versorgungsleitung 32 hat ein Ventil 33, das die Zuflussrate des zur Anode 13 geleiteten Brennstoffgases einstellen kann. Ferner hat eine Ablassleitung 34, die das Brennstoffgas (nichtreagiertes Brennstoffgas) von der Brennstoffzelle 2 nach außen leitet, ein Ventil 35, das die Fließrate des der Anode 13 zugeführten Brennstoffgases einstellen kann. Es ist zu bemerken, dass die Ablassleitung 34 so angeordnet sein kann, dass sie mit der Versorgungsleitung 32 zusammengeht, was das Zirkulieren der Versorgung des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle 2 durch eine Pumpe oder Ähnliches ermöglicht.
Die Ventile 24, 33 und 35 sind so gestaltet, dass sie die Ventilöffnungsgrade in den Passagen der entsprechenden Leitungen 23, 32 und 34 einstellen können. Zum Beispiel können die Ventile 24, 33 und 35 jeweils mit einem druckregulierenden Ventil oder einem Fließratensteuerungsventil gestaltet sein, das auf geeignete Weise den Ventilöffnungsgrad in Übereinstimmung mit der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 2 einstellen kann. Ferner können die Ventile 24, 33 und 35 jeweils mit einem Absperrventil ausgerüstet sein, das den Durchlass der entsprechenden Leitung absperrt. Die Ventile 24, 33 und 35 sind mit der Steuerungsvorrichtung 3 verbunden und wirken als Steuerungsmittel für die Fließrate (Fließratensteuerungsgeräte) zusammen mit dem Kompressor 21.
Konkret arbeiten die Ventile 33 und 35 unabhängig oder in Zusammenarbeit und bilden so erste Fließratensteuerungsmittel, die die Fließrate des nach der Anode 13 geleiteten Brennstoffgases steuern. Das heißt, wenigstens eines der Ventile 33 und 35 entspricht einem ersten Fließratensteuerungsgerät. Ähnlich wirken der Kompressor 21 und das Ventil 24 unabhängig oder gemeinsam miteinander zur Bildung zweiter Fließratensteuerungsmittel, die die Fließrate des zur Kathode 12 geleiteten oxidierenden Gases steuern. Das heißt, wenigstens einer der Kompressoren 21 und des Ventils 24 entspricht einem zweiten Fließratensteuerungsgerät. Wenn diese zwei Fließratensteuerungsmittel (Fließratensteuerungsgeräte) arbeiten, werden die Versorgungsfließraten der zur Brennstoffzelle 2 geleiteten Reaktionsgase (Brennstoffgas und oxidierendes Gas) gesteuert, und so werden Inbetriebnahme, Beendigung und der festgelegte Betrieb der Brennstoffzelle 2 angemessen gesteuert. Wie später beschrieben wird, werden diese zwei Fließratensteuerungsmittel (Fließratensteuerungsgeräte) in Kooperation gesteuert, um als Regenerierungsprozessmittel zu dienen, das einen Regenerierungsprozess durchführt, der den Katalysator der Brennstoffzelle 2 aus einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zuflussraten der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Reaktionsgase reaktiviert.
Während des Langzeitbetriebs der Brennstoffzelle 2 verringert sich die Aktivität des Katalysators (Platin) an der Kathodenseite 12 in der Brennstoffzelle 2 hauptsächlich aus folgendem Grund: In der Kathode 12 läuft neben der Reaktion, die durch die Gleichung (2) oben angezeigt wird, eine Oxidationsreaktion von Wasser, angezeigt durch die Gleichung (4): Pt + H₂O → PtOH + H⁺ + e^– Gleichung (4)und gleichzeitig eine Oxidationsreaktion von Verunreinigungen in der Luft an dem Katalysator ab. Als Ergebnis solcher sekundären Reaktionen werden Reaktionsprodukte wie zum Beispiel PtOH usw. erzeugt, und auf dem Katalysator abgelagerte Verunreinigungen würden die Aktivität des Katalysators für die Oxidationsreduktionsreaktion verringern. Dies ist nicht auf den Katalysator auf der Kathodenseite 12 beschränkt, vielmehr erleidet der Katalysator (Platin) an der Anodenseite 13 ähnlich eine Erniedrigung der Aktivität. Eine solche verringerte Aktivität der Katalysatoren ergibt verringerte Abgabeleistung der Brennstoffzelle 2 über die Zeit hin.
Hier können die auf dem Katalysator an der Kathodenseite 12 niedergeschlagenen Verunreinigungen Schwefel (S), Stickoxid (NOx) usw. enthalten und können auch im Fall, dass das Fahrzeug zum Beispiel in der Nähe der See läuft, Chlor (Cl) enthalten. Die auf dem Katalysator an der Anodenseite 13 abgelagerten Verunreinigungen können Methan (CH₄), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂), Schwefeloxid (SOx) usw., speziell im Fall des Brennstoffzellensystems 1 unter der Benutzung eines Reformers, enthalten.
In dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Regenerierungsprozessmittel mit zwei Fließratensteuerungsmitteln (hauptsächlich aus Kompressor 21, Ventil 24, Ventil 33 und Ventil 35 zusammengesetzt) so ausgebildet, dass sie den Katalysatorregenerierungsprozess zur Aktivierung des Katalysators ausführen. Der Katalysatorregenerierungsprozess wird ausgeführt durch Verbindung einer äußeren Ladung 41 (Hilfswiderstandselement) mit der Brennstoffzelle 2. Die äußere Ladung 41 kann eine sekundäre Batterie, eine Lagerungsvorrichtung wie ein Kondensator, ein Erhitzer oder ein Stromverbrauchsgerät wie zum Beispiel ein elektrisches Haushaltsgerät sein. Alternativ kann die externe Ladung 41 ein einfaches Widerstandselement sein. Wenn der Schalter der äußeren Ladung 41 angeschaltet ist, bekommt er Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 2 und verbraucht sie. Wenn der Schalter der äußeren Ladung 41 abgeschaltet ist, ist die Versorgung mit Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 2 abgeschaltet.
Im Folgenden wird das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Kathodenseite 12, das Regenerierungsverfahren für den Katalysator an der Anodenseite 13 und das Regenerierungsverfahren, das beide gleichzeitig ausführen, der Reihe nach erklärt.
[1. Regenerierungsverfahren für die Kathode]
Das Regenerierungsverfahren für den Pt-Katalysator an der Kathodenseite 12 dient zur Reaktivierung der Aktivität der Sauerstoffreaktion an der Kathode 12 durch Reduzieren von PtOH und anderen Verbindungen gemäß der oben beschriebenen Gleichung (4) usw. zu Pt. Dieses Regenerierungsverfahren wird ausgeführt in dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist (in dem Zustand, wo der Schalter angeschaltet ist), durch die Regenerierungsverfahrensmittel (21, 24, 33, 35), die die Fließrate des oxidierenden Gases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Bezug zu dem Brennstoffgas (Wasserstoff) vermindern. Wenn die Fließrate des oxidierenden Gases abnimmt, nimmt das Potential der Kathode 12 ab und die Zellenspannung wird auf eine vorbestimmte Spannung erniedrigt. Entsprechend wird der Katalysator an der Kathodenseite 12 zu einem aktiven Katalysator reaktiviert, wobei die darauf niedergeschlagenen Verunreinigungen entfernt werden.
Im Einzelnen ist die Reaktion der obigen Gleichung (2) eingeschränkt, wenn die Fließrate des oxidierenden Gases verringert ist. Stattdessen wird zum Beispiel die Reaktion, die durch die Gleichung (5) angegeben wird: PtOH + H⁺ + e^– → Pt + H₂O Gleichung (5)auf dem Katalysator gefördert, so dass OH^– von Pt entfernt wird. Ähnliche Reaktionen werden für andere Verunreinigungen gefördert und dementsprechend wird der Katalysator zu seinem aktiven Zustand reaktiviert.
Im Folgenden werden die Fälle der Durchführung eines solchen Regenerierungsverfahrens zur Zeit der Inbetriebnahme, während des festgelegten Betriebs und zum Zeitpunkt der Beendigung der Brennstoffzelle 2 im Einzelnen erläutert.
[1-1. Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme]
Wenn die Brennstoffzelle 2 in Betrieb genommen wird, das heißt, wenn das Brennstoffzellensystem 1 angeregt wird, einen Strom aus der Brennstoffzelle 2 zu ziehen, wird Brennstoffgas auf die Brennstoffzelle 2 geliefert, bevor das oxidierende Gas auf die Brennstoffzelle 2 geliefert wird, in dem Zustand, wo die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist. Speziell öffnet die Steuervorrichtung 3 die Ventile 33 und 35, die am Durchgang des Brennstoffgases vorgesehen sind, um die Lieferung des Brennstoffgases zur Brennstoffzelle 2 zu starten.
Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, wenn die Zellenspannung 0,3 V oder weniger wird, wird der Betrieb des Kompressors 21 gestartet und dadurch der Start der Lieferung des oxidierenden Gases zu der Brennstoffzelle 2. Zwar kann das Ventil 24 an der Ablassleitung 23 zu diesem Zeitpunkt geschlossen sein, es wird jedoch bevorzugt, zur Lieferung des oxidierenden Gases mit einer vorbestimmten Fließrate nach der Brennstoffzelle 2 das Ventil 24 mit dem Kompressor 21 kooperativ zu steuern. Die vorbestimmte Fließrate wird so gesteuert, dass die Zellenspannung in einen niedrigen Spannungsbereich fällt, der für die Regenerierung der Aktivität des Katalysators an der Kathodenseite 12 geeignet ist. Der niedrige Spannungsbereich hier ist vorzugsweise im Bereich von 0,8 V bis 0,2 V oder im Bereich von 0,8 V bis 0,3 V.
[1-2. Während des berechneten Betriebs]
Während des berechneten Betriebs der Brennstoffzelle 2, das heißt, wenn die Brennstoffzelle 2 auf Grundlage einer Leistungsanforderung Strom erzeugt, wird die Fließrate des oxidierenden Gases, das zu der Brennstoffzelle 2 geleitet ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne in dem Zustand, wo die Brennstoffzelle 2 mit der externen Ladung 41 verbunden ist, verringert. Im Einzelnen wird das an der Ablassleitung 23 vorgesehene Ventil 24 geschlossen oder die Fließrate wird auf ein Niveau in der Nähe dieses Zustands verringert, um die Fließrate des oxidierenden Gases so einzustellen, dass das stöchiometrische Reaktionsverhältnis 1 oder weniger wird. Weiterhin wird der Antrieb des Kompressors 21 in Kooperation mit oder unabhängig von dem Ventil 24 gestoppt, oder das Antreiben des Kompressors 21 wird so gesteuert, dass die abgegebene Luftmenge reduziert wird.
Das Regenerierungsverfahren für die Kathode 12 während des festgelegten Betriebs der Brennstoffzelle 2 kann durch stündliche Verringerung der Fließrate des oxidierenden Gases, zum Beispiel einmal pro Stunde, durchgeführt werden. Nach Aufrechterhaltung der Zellspannung in dem oben beschriebenen Bereich (zum Beispiel von 0,8 V bis 0,2 V) oder im Bereich von 0,7 V bis 0,01 V während zum Beispiel 30 Sekunden kann das oxidierende Gas der Brennstoffzelle 2 mit der Fließrate, die der Fließrate im stabilen Zustand entspricht, zugeführt werden.
[1-3. Zur Zeit der Beendigung]
Beim Stoppen der Brennstoffzelle 2, das heißt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 beendet wird, wird die Zufuhr an oxidierendem Gas zur Brennstoffzelle 2 gestoppt, bevor die Zufuhr an Brennstoffgas zur Brennstoffzelle 2 gestoppt wird. Konkret wird der Betrieb des Kompressors 21 gestoppt und dadurch die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit oxidierendem Gas gestoppt. Zwar kann zu diesem Zeitpunkt das Ventil 24 geöffnet sein, es wird jedoch bevorzugt, dass es geschlossen ist. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer, wenn die Zellspannung die oben beschriebene vorbestimmte Spannung erreicht (zum Beispiel 0,8 V bis 0,2 V), werden die Ventile 33 und 35 geschlossen und dadurch die Zufuhr von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle 2 gestoppt.
[2. Regenerierungsprozess für die Anode]
Der Regenerierungsprozess für den Pt-Katalysator an der Anodenseite 13 wird auf ähnliche Weise in dem Zustand durchgeführt, in dem die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist. Dieser Regenerierungsprozess wird durch Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) ausgeführt, die die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Bezug auf das oxidierende Gas verringern, um das Potential der Anode 13 zu erhöhen, um dadurch die Zellspannung auf eine vorbestimmte Spannung zu verringern. Dies entfernt die an dem Katalysator an der Anodenseite 13 niedergeschlagenen Verunreinigungen, und so wird der Katalysator zu seinem aktiven Zustand reaktiviert. Im Folgenden werden die Fälle der Ausführung dieses Regenerierungsprozesses im Zeitpunkt der Inbetriebnahme, während eines festgelegten Betriebs und zur Zeit des Stoppens der Brennstoffzelle 2 kurz der Reihe nach erläutert.
[2-1. Zur Zeit der Inbetriebnahme]
Wenn die Brennstoffzelle 2 in Betrieb genommen wird, wird das oxidierende Gas zur Brennstoffzelle 2 geleitet, bevor das Brennstoffgas zur Brennstoffzelle 2 geleitet wird, in dem Zustand, wo die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist. Konkret wird in dem Zustand, in dem die Ventile 33 und 35 geschlossen sind, so dass sie kein Brennstoffgas auf die Brennstoffzelle 2 leiten, der Betrieb des Kompressors 21 gestartet und dadurch die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit dem oxidierenden Gas gestartet. Alternativ kann das an der Ablassleitung 23 vorgesehene Ventil 24 in dem Zustand, in dem die Ventile 33 und 35 geschlossen sind, geöffnet sein, so dass Außenluft natürlich der Brennstoffzelle 2 von einer Ablassöffnung der Ablassleitung 23 zugeleitet wird.
In dem Fall, dass ein Reformer an der Versorgungsleitung 32 von dem Gasversorgungsbehälter 31 vorgesehen ist, kann es möglich sein, die Zufuhr von reformiertem Brennstoff, wie zum Beispiel Erdgas oder Ähnlichem, zu stoppen, außer dem Verfahren, die Ventile 33 und 35 zu schließen, oder es kann auch möglich sein, ein zu Wasserstoff reformiertes Gas an der Brennstoffzelle 2 vorbeizuleiten, indem man ein Schaltventil oder Ähnliches, das in der Figur nicht dargestellt ist, betätigt.
Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer vom Beginn der Zufuhr von oxidierendem Gas werden die Ventile 33 und 35 geöffnet, um die Zufuhr an Brennstoffgas zur Brennstoffzelle 2 zu starten. Zu diesem Zeitpunkt wird es so gesteuert, dass die Zellspannung in einen niedrigen Spannungsbereich fällt, während eine positive Polarität aufrechterhalten wird, die zur Regenerierung der Aktivität des Katalysators an der Anodenseite 13 geeignet ist. Die Zellspannung wird so gesteuert, dass sie nicht 0,01 V oder weniger wird, und wenn sie 0,01 V oder weniger wird, wird die äußere Ladung 41 von der Brennstoffzelle 2 abgeschaltet (der Schalter wird auf AUS geschaltet), um die Entladung zu stoppen.
[2-2. Während des festgelegten Betriebs]
Während des festgelegten Betriebs der Brennstoffzelle 2 wird die Fließrate des auf die Brennstoffzelle 2 geleiteten Brennstoffgases eine vorbestimmte Zeit lang verringert, in dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist. Konkret wird wenigstens eines der Ventile 33 und 35 geschlossen oder die Fließrate wird auf ein Niveau in der Nähe dieses Zustands verringert, um die Fließrate des Brennstoffgases anzupassen. Zu diesem Zeitpunkt wird es so gesteuert, dass das stöchiometrische Reaktionsverhältnis 1 oder weniger wird. Auch in diesem Fall wird die Zellenspannung so gesteuert, dass sie nicht 0,01 V oder weniger wird.
[2-3. Zum Zeitpunkt der Beendigung]
Beim Stoppen der Brennstoffzelle 2 wird die Zufuhr an Brennstoffgas gestoppt, bevor die Zufuhr an oxidierendem Gas gestoppt wird, in dem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 2 mit der äußeren Ladung 41 verbunden ist. Konkret werden die Ventile 33 und 35 zuerst geschlossen, um die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Brennstoffgas zu stoppen. Falls ein Reformer vorgesehen ist, wird die Versorgung des reformierten Brennstoffs, zum Beispiel, auf gleiche Weise wie oben beschrieben gestoppt. Während die Zufuhr des oxidierenden Gases auf die Brennstoffzelle 2 fortgesetzt wird, kann auch der Betrieb des Kompressors 21 fortgesetzt werden, oder alternativ kann der Betrieb des Kompressors 21 gestoppt werden, so dass die Außenluft von der Auslassöffnung der Ablassleitung 23 natürlich auf die Brennstoffzelle 2 geleitet wird.
Wenn die Zellenspannung nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer abzunehmen beginnt, wird sie so gesteuert, dass die Zellenspannung in einem niedrigen Spannungsbereich ist, wobei die Polarität auf geeignete Weise zur Regenerierung der Aktivität des Katalysators an der Anodenseite 13 positiv gehalten wird. Ähnlich, wie oben beschrieben, wird die äußere Ladung 41 von der Brennstoffzelle 2 unterbrochen (der Schalter wird ausgeschaltet), um die Entladung zu stoppen, wenn die Zellspannung 0,01 V oder weniger wird. Danach wird das Betreiben des Kompressors 21 vollständig gestoppt und auch das Ventil 24 geschlossen, um die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit dem oxidierenden Gas zu beenden.
[3. Regenerierungsprozess für Kathode und Anode]
Dieser Regenerierungsprozess ist eine Kombination des Regenerierungsprozesses der Kathode 12 und des Regenerierungsprozesses der Anode 13, die oben beschrieben wurden. Konkret wird der Regenerierungsprozess für die Anode 13 durchgeführt, wenn die Brennstoffzelle 2 gestoppt ist (vgl. 2–3.), und der Regenerierungsprozess für die Kathode 12 wird ausgeführt, wenn die Brennstoffzelle 2 das nächste Mal in Betrieb genommen wird (siehe 1-1.). Diese Regenerierungsprozesse können ähnlich, wie oben beschrieben, ausgeführt werden und daher wird ihre detaillierte Beschreibung hier nicht wiederholt.
Durch Ausführung dieser zwei Regenerierungsprozesse in dieser Reihenfolge können die Regenerierungsprozesse für die Katalysatoren an der Kathodenseite 12 und der Anodenseite 13 auf geeignete Weise vor dem nächsten Betrieb der Brennstoffzelle 2 beendet werden. Weiterhin kann nahezu der gesamte restliche Wasserstoff durch den Regenerierungsprozess für die Anode 13, wenn die Brennstoffzelle 2 gestoppt wird, verbraucht werden, was die Überleitung des Wasserstoffs auf die Kathode 12 während der gestoppten Periode des Systems beträchtlich einschränkt. Es ist zu bemerken, dass die Kombination des Regenerierungsprozesses für die Kathode 12 (1-1, 1-2, 1-3) und des Regenerierungsprozesses für die Anode 13 (2-1, 2-2, 2-3) so, wie sie geeignet ist, festgesetzt werden kann, zum Beispiel so, dass der Regenerierungsprozess für die Anode 12 durchgeführt wird, wenn die Brennstoffzelle 2 gestoppt ist, und der Regenerierungsprozess für die Anode 13 bei der nächsten Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 2 ausgeführt wird, usw.
Zusammenfassung
Es wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das in angemessener Weise einen Katalysator an einer Katodenseite oder einer Anodenseite regenerieren kann. Ein Brennstoffzellensystem (1) umfasst Regenerierungsbearbeitungsmittel (21, 24, 33, 35) zur Durchführung eines Regenerierungsprozesses, der den Katalysator in einer Brennstoffzelle (2) reaktiviert aus einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von nach der Brennstoffzelle (2) zugeführten Brennstoffgas und Oxidationsgas, wobei der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Katodenseite (12) in der Brennstoffzelle (2) ausgeführt wird durch die Regenerierungsbearbeitungsmittel, die die Fließrate des Oxidationsgases auf weniger als für stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung mit dem Brennstoffgas verringern, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle (2) auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen. Der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Anodenseite (13) wird ähnlich durch Regenerierungsbearbeitungsmittel durchgeführt, die die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als eine für stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Oxidationsgas erniedrigen.

Claims

Brennstoffzellensystem (1) zur Ausführung eines Regenerierungsprozesses, der einen Katalysator in einer Brennstoffzelle (2) aus einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert, wobei der Regenerierungsprozess für den Katalysator an der Katodenseite (12) in der Brennstoffzelle (2) durch Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) durchgeführt wird, die die Fließrate des Oxidationsgases auf weniger als die im stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas steuert, um die Zellenspannung der Brennstoffzelle (2) auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei, wenn der Regenerierungsprozess stattfindet, die Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle (2) auf eine mit der Brennstoffzelle verbundene externe Ladung (41) zugeführt wird.
Brennstoffzelle und System (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regenerierungsprozess durch die Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) durchgeführt wird, die den Beginn der Zufuhr des Oxidationsgases auf die Brennstoffzelle (2) nach einem Zeitraum vom Start der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle (2) im Zeitpunkt des Betreibens der Brennstoffzelle steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) die Zufuhr des Oxidationsgases nach der Brennstoffzelle (2) starten, wenn die Zellspannung 0,3V oder weniger wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regenerierungsprozess durch Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) durchgeführt wird, die die Fließrate des Oxidationsgases für eine vorbestimmte Zeitdauer während eines festgelegten Betriebs der Brennstoffzelle (2) steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Regenerierungsprozess durch die Regenerierungsprozessmittel (21, 24, 33, 35) durchgeführt wird, die die Zufuhr des Oxidationsgases nach der Brennstoffzelle (2) stoppen, bevor die Zufuhr des Brennstoffgases nach der Brennstoffzelle (2) gestoppt wird, wenn die Brennstoffzelle (2) gestoppt wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 6, wobei die Regenerierungsprozessmittelumfassen: erste Fließratensteuerungsmittel (33, 35) zur Steuerung der Zufuhrfließrate des Brennstoffgases, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird; und zweite Fließratensteuerungsmittel (21, 24) zur Steuerung der Zufuhrfließrate des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird; und wobei die ersten und zweiten Fließratensteuerungsmittel die Durchführung des Regenerierungsprozesses steuern.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, wobei das erste Fließratensteuerungsmittel wenigstens ein Ventil (33, 35) enthält, das an einer Leitung (32, 34) vorgesehen ist, durch die das Brennstoffgas schließt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das zweite Fließratensteuerungsmittel wenigstens ein Ventil (24) enthält, das an einer Leitung (23), durch die das Oxidationsgas fließt, oder einer Zufuhrvorrichtung für das Oxidationsgas vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1), das Mittel für das Regenerierungsverfahren zur Durchführung eines Regenerierungsverfahrens umfasst, das einen Katalysator in einer Brennstoffzelle (2) von einem Zustand von verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und oxidierendem Gas, die zu der Brennstoffzelle zugeführt werden, reaktiviert, wobei der Regenerierungsprozess für den Katalysator auf einer Anodenseite (2) in der Brennstoffzelle (2) durch Mittel (33, 35) für die Regenerierungsdurchführung ausgeführt wird, die die Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als eine erwünschte Rate für den stabilen Zustand in Beziehung zu dem Oxidationsgas zur Erniedrigung der Zellspannung der Brennstoffzelle (2) auf eine vorbestimmte Spannung verringern.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10, wobei, wenn der Regenerierungsprozess stattfindet, Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle (2) auf eine mit der Brennstoffzelle verbundene externe Ladung (41) zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Regenerierungsprozess ausgeführt wird durch Regenerierungsprozessmittel (3, 33, 35), die die Zufuhr von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle nach einer Verzögerung vom Start der Zufuhr des Oxidationsgases nach der Brennstoffzelle starten, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb genommen wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Regenerierungsprozess durch die Regenerierungsprozessmittel (3, 33, 35) ausgeführt wird, die die Fließrate des Brennstoffgases für eine vorbestimmte Zeitdauer während eines festgelegten Betriebs der Brennstoffzelle verringert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Regnerierungsprozess durch die Regenerierungsprozessmittel (3, 33, 35) durchgeführt werden, die die Zufuhr von Brennstoffgas zur Brennstoffzelle (2) stoppen, bevor sie die Zufuhr des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle (2) stoppen, wenn die Brennstoffzelle (2) gestoppt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Regenerierungsbehandlungsmittelumfassen: erste Fließratensteuerungsmittel (33, 35) zur Steuerung der Zufuhrfließrate des Brennstoffgases, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird; und zweite Fließratensteuerungsmittel (21, 24) zur Steuerung der Zufuhrfließrate des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird; und worin die Steuerungsmittel für die erste und zweite Fließrate die Einlaufzeit des Regenerierungsverfahrens steuern.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei die ersten Fließratensteuerungsmittel wenigstens ein Ventil (33, 35), das an einer Leitung (32, 34) vorgesehen ist, durch welche das Brannstoffgas fließt, umfassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15 und 16, wobei die zweiten Fließratensteuerungsmittel wenigstens ein Ventil (24) umfassen, das an einer Leitung (23), durch die das Oxidationsgas fließt, oder einer Zufuhrvorrichtiung (21, 22) für das Oxidationsgas vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1), umfassend: erste Fließratensteuerungsmittel (33, 35) zur Steuerung einer Fließrate eines zu einer Brennstoffzelle (2) zugeführten Brennstoffgases; und zweite Fließratensteuerungsmittel (21, 24) zur Steuerung der Fließrate von Oxidationsgas, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird; wobei beim Stoppen der Brennstoffzelle (2) die zweiten Fließratensteuerungsmittel (21, 24) die Zufuhr des Oxidationsgases stoppen, nachdem die ersten Fließratensteuerungsmittel (33, 35) die Zufuhr des Brennstoffgases stoppen, und bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle (2) die zweiten Fließratensteuerungsmittel (21, 24) die Zufuhr an Oxidationsgas starten, nachdem die ersten Fließratensteuerungsmittel (33, 35) die Zufuhr an Brennstoffgas starten.
Verfahren zur Aktivierung eines Katalysators in einer Brennstoffzelle (2) aus einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von nach der Brennstoffzelle (2) zugeführtem Brennstoffgas und Oxidationsgas, enthaltend die Schritte: man regeneriert den Katalysator an einer Katodenseite (12) in der Brennstoffzelle (2) durch Verringerung der Fließrate des Oxidationsgases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Brennstoffgas, um die Zellspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Regenerierungsschritt wenigstens zu einem der folgenden Zeitpunkte durchgeführt wird: Zeitpunkt der Inbetriebnahme, Zeitpunkt des festgelegten Betriebs und Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle (2).
Verfahren zur Reaktivierung eines Katalysators in einer Brennstoffzelle (2) aus einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrfließraten des Brennstoffgases und des Oxidationsgases, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, enthaltend die Schritte: man regeneriert den Katalysator an einer Anodenseite (13) in der Brennstoffzelle (2) durch Verringerung der Fließrate des Brennstoffgases auf weniger als die für den stabilen Zustand benötigte Rate in Beziehung zu dem Oxidationsgas, um die Zellspannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung zu erniedrigen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Regenerierungsschritt zu wenigstens einem der folgende Zeitpunkte durchgeführt wird: Zeitpunkt der Inbetriebnahme, Zeitpunkt des festgelegten Betriebs und Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle (2).
Verfahren zum Reaktivieren eines Katalysators in einer Brennstoffzelle (2) aus einem Zustand verringerter Aktivität durch Steuerung der Zufuhrraten von Brennstoffgas und Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, umfassen die folgenden Schritte: man stoppt die Zufuhr des Oxidationsgases nach dem Stoppen der Zufuhr des Brennstoffgases zum Zeitpunkt des Stoppens der Brennstoffzelle; und man startet die Zufuhr des Oxidationsgases nach Starten der Zufuhr des Brennstoffgases im Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle, die dem Schritt des Stoppens folgt.