DE112006001304B4

DE112006001304B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112006001304B4
Application number: DE112006001304T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Nonobe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2006-05-25
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: KR20080003922A; WO2006126629A1; RU2364991C1; JP2006331821A; KR100953418B1; BRPI0610306A2; DE112006001304T5; JP4867199B2; US8349506B2; CN101185188A; US20090075135A1; RU2007143534A; CN101185188B

Abstract

Brennstoffzellensystem (100), dadurch gekennzeichnet, daß es umfasst:
einen flüssigen Wasserstoff speichernden Speicherabschnitt (6),
eine Wasserstoff als Brenngas nutzende Brennstoffzelle (3),
einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, der einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführt,
wobei das Wasserstoffgas durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt wird,
ein Wasserstoffkreislaufsystem, das die Anode der Brennstoffzelle einschließt,
einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt, der im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zuführt; und
eine Heizvorrichtung (15), welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert;
wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt,
wobei die Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das einen Tank für flüssigen Brennstoff besitzt.
STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die elektrische Leistung aus einem Brennstoff, Wasserstoff und Sauerstoff gewinnt. Brennstoffzellen werden in großem Umfang als eine Energieversorgungsvorrichtung entwickelt, weil sie hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Umwelt überlegen sind und einen hohen energetischen Wirkungsgrad erreichen können.
Es gibt untersuchte Verfahren, die Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen, wie etwa ein Verfahren, das in einem Speicherabschnitt, wie einem Hochdruck-Wasserstofftank, einem Tank für ein Wasserstoff speicherndes Gemisch (hydrogen storing alloy tank) oder einem Tank für flüssigen Wasserstoff gespeicherten Wasserstoff zuführt. Flüssiger Wasserstoff wird als Wasserstoffversorgung für die Brennstoffzelle untersucht, weil flüssiger Wasserstoff eine hohe Energiespeicherungsdichte und eine hohe Effizienz beim Laden des Wasserstoffs in einen Speicherabschnitt aufweist.
Jedoch entsteht möglicherweise wegen einer Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs ein Abdampfgas, wenn der Tank für flüssigen Wasserstoff von außen erwärmt wird. Der Druck im Tank für flüssigen Wasserstoff steigt durch Erzeugung des Abdampfgases an. Es ist deshalb erforderlich, das Abdampfgas, falls nötig, abzuführen.
Die JP 2003-056799 A offenbart ein Verfahren zur Speicherung des Abdampfgases in einem Druckbehälter und zur Zuleitung des im Druckbehälter gespeicherten Abdampfgases zur Brennstoffzelle beim Start der Brennstoffzelle. Es ist möglich, das Abdampfgas als Brennstoff der Brennstoffzelle einzusetzen.
Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist aus der JP 2004 127817 A bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird Wasserstoff aus einem Wasserstofftank über einen Druckregler, ein Strömungssteuerventil und einen Wasserstoffströmungssensor einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei Druck und Temperatur am Einlass der Brennstoffzelle erfasst werden.
Die DE 100 21 681 C2 zeigt ein Engergiespeichersystem mit einem ersten Speicher, der mit einer Zuleitung für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher versehen und der mit einem zweiten Speicher zum Speichern von im ersten Speicher verdampftem Engergieträger strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher einen Drucktank umfasst, dem eine Einrichtung zur Druckerhöhung strömungstechnisch vorgeschaltet ist.
Die DE 103 04 136 A1 zeigt schließlich ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische und/oder mechanische Energie, insbesondere Brennstoffzelleneinheit und/oder Verbrennungseinrichtung, wie Diesel- oder Benzinmotor, wobei wenigstens ein sauerstoffhaltiges Ausgangsstoffgemisch vorgesehen ist, vorgeschlagen, wobei vor allem die Effizienz der Energieumwandlung insbesondere zur Schonung der Umwelt gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Trennvorrichtung zum Abtrennen wenigstens eines Sauerstoff angereicherten Fluids von einem Fluidrest des Ausgangsstoffgemisches vorgesehen ist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Bei der Anwendung des durch die JP 2003-056799 A offenbarten Verfahrens bei einem Brennstoffzellensystem ist es jedoch erforderlich, einen Druckbehälter zur Aufnahme des Abdampfgases vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems kompliziert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, das Abdampfgas effizient zu nutzen und das eine vereinfachte Konstruktion aufweist.
MITTEL ZUR LÖSUNG DER PROBLEME
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Speicherabschnitt, eine Brennstoffzelle, einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, ein Wasserstoffkreislaufsystem und einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt umfaßt. Der Speicherabschnitt speichert flüssigen Wasserstoff. Die Brennstoffzelle benutzt Wasserstoff als Brenngas. Der Brennstoff-Versorgungsabschnitt führt einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zu. Das Wasserstoffgas wird durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt. Das Wasserstoffkreislaufsystem schließt die Anode der Brennstoffzelle ein. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt führt im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zu. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Heizvorrichtung, welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert, wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, ist stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet.
Beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird der flüssige Wasserstoff im Speicherabschnitt gespeichert. Das durch die Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugte Wasserstoffgas wird durch den Brennstoff-Versorgungsabschnitt der Anode der Brennstoffzelle zugeführt. Das im Speicherabschnitt erzeugte Abdampfgas wird durch den Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt. In diesem Falle wird verhindert, daß das Abdampfgas nach außen abgeführt wird, weil das Abdampfgas in das Wasserstoffkreislaufsystem eingeführt wird. Es ist deshalb nicht erforderlich, eine Behandlungsvorrichtung, wie eine Vorrichtung zur Verdünnung des nach außen abgeführten Abgases, vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Die Brennstoffzelle kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt. Es ist deshalb möglich, das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Es ist möglich, das Abdampfgas im Wasserstoffkreislaufsystem einzuschließen, wenn das Brennstoffzellensystem keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle kann das Abdampfgas bei der nächsten Erzeugung von elektrischer Leistung als Brennstoff nutzen. Es ist deshalb möglich, das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Damit ist es möglich, das Absinken des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt kann ein erstes Ventil aufweisen, das dem Wasserstoffkreislaufsystem das Abdampfgas zuführt, wenn der Druck des Abdampfgases größer ist als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird verhindert, daß der Druck im Speicherabschnitt übermäßig ansteigt. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt kann ein zweites Ventil aufweisen, das einen Rückfluß des Abdampfgases vom Wasserstoffkreislaufsystem in den Speicherabschnitt verhindert. In diesem Falle wird verhindert, daß der im Anodenabgas eingeschlossene Dampf usw. in den Speicherabschnitt einströmt. Es ist deshalb möglich, die Korrosion des ersten Ventils zu verhindern.
Das Wasserstoffkreislaufsystem weist einen Wasserstoffumwälzabschnitt auf, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt. In diesem Falle ist es möglich, den Mengenstrom des durch den Wasserstoffumwälzabschnitt der Anode zugeführten Wasserstoffs zu steuern. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet sein.
Das Wasserstoffkreislaufsystem kann einen Auslaßabschnitt aufweisen, der stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab von der Anode angeordnet ist und ein Gas im Wasserstoffkreislaufsystem abführt. In diesem Falle ist es möglich, Stickstoff usw. beim Einströmen von der Kathode in die Anode abzuführen. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab vom Auslaßabschnitt angeordnet sein. In diesem Falle ist es möglich, ein Ausströmen von Wasserstoff aus dem Auslaßabschnitt zu verhindern.
Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, kann sich in der Mitte der Anode befinden. In diesem Falle wird verhindert, daß sich auf der Auslaßseite der Anode die Dichte des Wasserstoffs verringert. Demgemäß wird die elektrische Leistung in jedem Bereich der Brennstoffzelle im wesentlichen gleich erzeugt.
Das Brennstoffzellensystem kann weiter einen Druckfeststellungsabschnitt umfassen, der den Druck im Wasserstoffkreislaufsystem ermittelt, und einen Ermittlungsabschnitt, der feststellt, ob das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, wenn ein vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellter Wert größer ist als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird festgestellt, ob das Abdampfgas im Speicherabschnitt erzeugt wird. Der Druckfeststellungsabschnitt kann stromab vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromauf von der Anode vorgesehen sein.
Das Brennstoffzellensystem kann weiter eine Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs umfassen, die den Mengenstrom des im Wasserstoffkreislaufsystem strömenden Wasserstoffs steuert. In diesem Falle ist es möglich, mit der Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs den Mengenstrom des der Anode zugeführten Wasserstoffs zu ermitteln.
Der Wasserstoffumwälzabschnitt kann eine Wasserstoffpumpe sein. Die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs kann die Drehzahl der Wasserstoffpumpe steuern, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle ist es selbst dann, wenn das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeleitet wird, möglich, mit der Steuerung der Drehzahl für die Wasserstoffpumpe der Anode eine für die elektrische Erzeugung in der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoffmenge zuzuführen. Die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs kann die Wasserstoffpumpe derart steuern, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe verringert wird, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle wird verhindert, daß der Brennstoffzelle ein übermäßiger Mengenstrom Wasserstoff zugeführt wird.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Störungserkennungsabschnitt umfassen, der feststellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist, wenn der von vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellte Wert über eine gegebene Zeit hinaus größer ist als der Schwellenwert. In diesem Falle wird nicht festgestellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist, wenn für die gegebene Zeit der durch den Druckfeststellungsabschnitt festgestellte Wert nicht größer ist als der Schwellenwert. Es wird deshalb festgestellt, ob das Abdampfgas kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt wird.
Der Speicherabschnitt kann einen Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann eine Steuerung aufweisen, die eine Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts steuert und die Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts stoppt, wenn der Störungserkennungsabschnitt feststellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist. In diesem Falle wird verhindert, daß ein großer Mengenstrom Wasserstoff verdampft, und ein unerwarteter Wasserstoffverbrauch wird verhindert.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Infolge der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, eine Behandlungsvorrichtung, wie eine Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen abgeführte Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird verbessert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 zeigt den von einem Druckfühler festgestellten Gasdruck;
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Steuerungsablaufs bei einer Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas einer Rohrleitung zugeführt wird; und
4 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
BESTE WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
(Erste Ausführungsform)
Die 1 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100. Wie in 1 gezeigt, besitzt das Brennstoffzellensystem 100 eine Luftpumpe 1, eine Befeuchtungsvorrichtung 2, eine Brennstoffzelle 3, Drucksteuerventile 4 und 8, eine Verdünnungsvorrichtung 5, einen Tank 6 für flüssigen Wasserstoff, ein Hauptventil 7, eine Wasserstoffpumpe 9, Druckfühler 10 und 11, ein Wasserstoffauslaßventil 12, ein Rückschlagventil 13, ein Überdruckventil 14, eine Heizvorrichtung 15 und eine Steuerung 20. Die Brennstoffzelle 3 besitzt eine Kathode 3a und eine Anode 3b.
Die Luftpumpe 1 ist über eine Leitung 101 mit einem Einlaß der Kathode 3a der Brennstoffzelle 3 verbunden. Die Leitung 101 führt durch die Befeuchtungsvorrichtung 2. Ein Auslaß der Kathode 3a ist über eine Leitung 102 mit der Verdünnungsvorrichtung 5 verbunden. Die Leitung 102 führt über das Drucksteuerventil 4.
Die Heizvorrichtung 15 ist im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aufgenommen. Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist über Leitungen 103 und 104 mit einem Einlaß der Anode 3b der Brennstoffzelle 3 verbunden. Die Leitung 103 führt vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Hauptventil 7 und das Überdruckventil 8. Ein erstes Ende der Leitung 104 ist mit der Leitung 103 verbunden. Ein zweites Ende der Leitung 104 ist mit dem Einlaß der Anode 3b verbunden. Ein Auslaß der Anode 3b ist über eine Leitung 105 mit der Leitung 104 verbunden.
Die Leitung 105 führt über die Wasserstoffpumpe 9. In der Leitung 105 ist zwischen der Wasserstoffpumpe 9 und dem Auslaß der Anode 3b der Druckfühler 10 vorgesehen. Eine Leitung 107 verbindet die Mitte der Leitung 105 und die Verdünnungsvorrichtung 5. Die Leitung 105 steht mit der Leitung 107 an einem Punkt zwischen dem Auslaß der Anode 3b und dem Druckfühler 10 in Verbindung. Die Leitung 107 führt über das Wasserstoffauslaßventil 12. Die Verdünnungsvorrichtung 5 führt nach außen.
Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist über eine Leitung 106 mit der Mitte der Leitung 105 verbunden. Die Leitung 106 führt vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Überdruckventil 14 und das Rückschlagventil 13. Die Leitung 105 ist mit der Leitung 106 an einem Punkt zwischen dem Druckfühler 10 und der Wasserstoffpumpe 9 verbunden.
Die Steuerung 20 besitzt eine Zentraleinheit (CPU), einen Festwertspeicher (ROM) usw. Die Steuerung 20 empfängt die Ergebnisse aus den Druckfühlern 10 und 11 und steuert die Luftpumpe 1, die Befeuchtungsvorrichtung 2, die Drucksteuerventile 4 und 8, das Hauptventil 7, die Wasserstoffpumpe 9, das Wasserstoffauslaßventil 12 und die Heizvorrichtung 15.
Nun folgt die Beschreibung einer Aktion des Brennstoffzellensystems 100. Die Luftpumpe 1 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und liefert über die Leitung 101 eine erforderliche Menge Luft an die Befeuchtungsvorrichtung 2. Die Befeuchtungsvorrichtung 2 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert die Luftfeuchtigkeit. Die Luft, deren Feuchtigkeit von der Befeuchtungsvorrichtung 2 gesteuert wurde, wird über die Leitung 101 an die Kathode 3a geliefert.
In der Brennstoffzelle 3 wird von den an der später beschriebenen Anode 3b umgewandelten Protonen und dem in der der Kathode 3a zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff Wasser und elektrische Energie erzeugt. Das so erzeugte Wasser formt sich durch die Reaktionswärme der Protonen und des Sauerstoffs in Wasserdampf um. Der an der Kathode 3a erzeugte Wasserdampf und die nicht mit den Protonen reagierende Luft werden über die Leitung 102 als Kathodenabgas der Verdünnungsvorrichtung 5 zugeführt. Das Drucksteuerventil 4 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert den Druck des der Verdünnungsvorrichtung 5 von der Kathode 3a zugeführten Kathodenabgases.
Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist mit einem Wärmeisoliermaterial bedeckt und speichert flüssigen Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle 3. Die Heizvorrichtung 15 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert die Temperatur des Tanks 6 für flüssigen Wasserstoff. Deshalb verdampft die erforderliche Menge des flüssigen Wasserstoffs. Der im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff verdampfte Wasserstoff wird über die Leitungen 103 und 104 der Anode 3b zugeführt. Das Hauptventil 7 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 103. Deshalb kann die Steuerung 20 die Versorgung der Anode 3b mit dem im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff verdampften Wasserstoff steuern. Das Drucksteuerventil 8 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert den Druck des der der Anode 3b vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff zugeführten Wasserstoffs. Deshalb kann die Steuerung 20 die Menge des der Anode 3b aus dem Tank 6 für flüssigen Wasserstoff zugeführten Wasserstoffs steuern.
An der Anode 3b wird der Wasserstoff in Protonen umgeformt. Der nicht in Protonen umgeformte Wasserstoff wird über die Leitung 105 als Anodenabgas der Wasserstoffpumpe 9 zugeführt. Die Wasserstoffpumpe 9 ist von einer Bauart wie etwa eine Schnecken- oder Schraubenpumpe und liefert das Anodenabgas über die Leitungen 105 und 104 an die Anode 3b. Der Druckfühler 10 stellt den Druck des in der Leitung 105 strömenden Anodenabgases fest und übermittelt das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20. Der Druckfühler 11 stellt den Druck des durch die Wasserstoffpumpe 9 komprimierten Anodenabgases fest und übermittelt das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20.
Das Wasserstoffauslaßventil 12 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 107. Deshalb steuert die Steuerung 20 das Abblasen des in der Leitung 105 strömenden Anodenabgases zur Verdünnungsvorrichtung 5. In diesem Falle ist es möglich, von der Kathode 3a in die Anode 3b strömenden Stickstoff und dergleichen auszublasen. Die Verdünnungsvorrichtung 5 oxidiert das Kathodenabgas von der Kathode 3a und das Anodenabgas von der Anode 3b und führt das oxidierte Gas nach der Außenseite des Brennstoffzellensystems 100 ab.
Das Überdruckventil 14 führt den Wasserstoff im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff als Abdampfgas in die Leitung 106 ein, wenn der Druck im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff über dem vorgegebenen Druck liegt. Damit wird verhindert, daß der Druck im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff übermäßig hoch wird. Der in die Leitung 106 eingeleitete Wasserstoff wird der Leitung 105 zugeführt. Das Rückschlagventil 13 gestattet dem vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff in die Leitung 105 strömenden Wasserstoff den Weg in die Leitung 105 und verhindert, daß Wasserstoff aus der Leitung 105 in den Tank 6 für flüssigen Wasserstoff strömt. Es ist deshalb möglich, die durch im Anodenabgas enthaltenen Dampf usw. verursachte Korrosion des Rückschlagventils 14 zu begrenzen.
Die durch das verdampfte Gas verursachte Temperaturabsenkung der Brennstoffzelle 3 wird dadurch behindert, daß das Abdampfgas der Anode 3b über die Leitungen 105 und 104 zugeführt wird. Deshalb ist das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführungsform leistungsfähiger, wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung erzeugt.
Im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Ausführungsform bilden die Leitungen 104 und 105 und die Anode 3b einen abgedichteten Raum. Und es wird verhindert, daß das Abdampfgas nach außen abgeführt wird. Deshalb ist es nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung, wie eine Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen entweichende Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß ist die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 100 vereinfacht. Das Volumen des von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raums kann beim Entwurf des Brennstoffzellensystems auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden. Das Volumen bei der Ausführungsform beträgt 3 bis 4 Liter.
Die Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung erzeugt. In diesem Falle steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 reduziert wird. Es ist deshalb möglich, eine unerwartete Aktion der Wasserstoffpumpe 9 und einen unvorhergesehenen Verbrauch von flüssigem Wasserstoff zu behindern. Demgemäß wird der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert. Einzelheiten werden später erwähnt.
Es ist möglich, daß das Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum abgeschlossen werden kann, wenn die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas als Brennstoff bei der nächsten Erzeugung elektrischer Leistung benutzen. Es ist deshalb möglich, den unvorhergesehenen Verbrauch von flüssigem Wasserstoff zu verhindern. Demgemäß ist es möglich, die Verringerung des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100 zu verhindern.
Es ist möglich, durch eine Steuerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 die der Anode 3b zugeführte Wasserstoffmenge zu steuern, weil das Abdampfgas der Leitung 105 an der in Bezug auf die Wasserstoffpumpe 9 stromauf gelegenen Seite zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform liefert die Wasserstoffpumpe 9 das Abdampfgas an die Anode 3b. Andere Versorgungsabschnitte, wie ein veränderlicher Ejektor, können statt der Wasserstoffpumpe 9 vorgesehen sein. Die Brennstoffzelle 3 ist nicht auf den Fall der Ausführungsform beschränkt, wenn die Brennstoffzelle 3 Wasserstoffgas als Brennstoff benutzt. Ein weiterer Druckfühler kann in der Leitung 106 stromauf vom Rückschlagventil 13 verwendet werden und das Einströmen des Abdampfgases feststellen.
Der Druckfühler stellt bei der Ausführungsform das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 fest. Ein Durchflußmesser kann bei der Ausführungsform das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen. In diesem Falle kann der Durchflußmesser auf der stromauf gelegenen Seite des Rückschlagventils 13 vorgesehen sein, oder der Durchflußmesser kann anstelle des Druckfühlers 11 eingebaut sein, und der Durchflußmesser kann das Einströmen des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen.
Es folgt nun eine Beschreibung des Drucks des in die Leitung 105 einströmenden Gases. Die 2 zeigt den vom Druckfühler 11 ermittelten Gasdruck. Die vertikale Achse der 2 zeigt den durch den Druckfühler 11 ermittelten Gasdruck an. Die horizontale Achse der 1 zeigt die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an.
Wie durch eine durchgezogene Line X in 2 gezeigt, steigt der Gasdruck in der Leitung 105 entsprechend der Zunahme der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an. Die durchgezogene Linie Y zeigt die theoretische Zahl an, die aus der Wasserstoffmenge, die für die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 3 erforderlich ist, und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 berechnet ist. Demgemäß ist die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 proportional dem Gasdruck in der Leitung 105 in der durchgezogenen Linie X. Jedoch schwankt, wie in einer gestrichelten Linie Y in 2 gezeigt ist, der Gasdruck in der Leitung 105 u. a. wegen Schwankungen der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9. Eine punktierte Linie Z in 2 zeigt ein Maximum des Gasdrucks in der Leitung 105 berechnet in Bezug auf die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9, wobei die Streuung der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9 in Betracht gezogen wird.
Nun folgt eine Beschreibung einer Aktion der Steuerung 20 in einem Falle, in dem das Abdampfgas der Leitung 105 zugeführt wird. Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Steuerungsablaufs bei einer Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas einer Rohrleitung zugeführt wird. Die Steuerung 20 wiederholt die Aktion nach einem gegebenen Intervall (beispielsweise wenige Millisekunden).
Wie in 3 gezeigt, stellt die Steuerung 20 fest, ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck (Schritt S1). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und der gepunkteten Linie in 2 treffen.
Wenn beim Schritt S1 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 sinkt (Schritt S2). Danach wartet die Steuerung 20 während einer gegebenen Zeitspanne, beispielsweise 5 Sekunden (Schritt S3). Dann stellt die Steuerung 20 fest, ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck (Schritt S4). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und der gepunkteten Linie Z in 2 treffen.
Wenn beim Schritt S4 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, stoppt die Steuerung 20 die Energiezufuhr zur Heizvorrichtung 15 (Schritt S5). Danach beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.
Wenn beim Schritt S4 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart, daß sie mit einer üblichen Drehzahl läuft (Schritt S6). Danach beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.
Wenn beim Schritt S1 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als der gegebene Druck, beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.
Wie oben erwähnt, wird dem obigen Ablaufdiagramm folgend festgestellt, ob das Abdampfgas in die Leitung 105 einströmt. Wenn das Abdampfgas in die Leitung 105 einströmt, wird die übermäßige Zufuhr von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 3 durch die Verringerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 verhindert. Deshalb wird ein unvorhergesehener Verbrauch von Wasserstoff und die unvorhergesehene Aktion der Wasserstoffpumpe 9 verhindert. Demgemäß wird der Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert.
Zusätzlich wird festgestellt, ob das Abdampfgas kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt wird, weil festgestellt wird, ob das Abdampfgas während mehr als der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt. Deshalb kann eine Störung der Heizvorrichtung 15 rasch entdeckt werden. Es wird somit verhindert, daß eine große Menge des flüssigen Wasserstoffs verdampft, und der unerwartete Verbrauch von Wasserstoff wird verhindert.
Falls das Abdampfgas nicht länger als während der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt, läuft die Wasserstoffpumpe 9 mit der üblichen Drehzahl ohne Stopp der Aktion der Heizvorrichtung 15, und die Brennstoffzelle 3 setzt die Erzeugung elektrischer Leistung stabil fort.
Die obige Ausführungsform schließt ein, jedoch nicht auf den Fall beschränkt, daß eine Störung der Heizvorrichtung 15 festgestellt wird, daß beim Schritt S4 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 höher ist als der gegebene Gasdruck. Beispielsweise kann festgestellt werden, daß beim Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ein Fehler an der Wärmeisolierung auftritt, und es kann festgestellt werden, daß das Überdruckventil 14 defekt ist.
Bei der Ausführungsform entspricht der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff dem Speicherabschnitt. Das Hauptventil 7 entspricht dem Brennstoff-Versorgungsabschnitt. Die Leitungen 104 und 105 und die Anode 3b entsprechen dem Wasserstoffkreislaufsystem. Das Überdruckventil 14 entspricht dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt. Die Wasserstoffpumpe 9 entspricht dem Wasserstoffumwälzabschnitt. Die Steuerung 20 umfasst die Mengensteuerung des Wasserstoffkreislaufs, den Ermittlungsabschnitt und den Störungserkennungsabschnitt gemäß den Ansprüchen. Der Druckfühler 11 entspricht dem Druckfeststellungsabschnitt. Die Heizvorrichtung 15 entspricht dem Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt. Das Überdruckventil 14 entspricht dem zweiten Ventil. Das Wasserstoffauslaßventil 12 entspricht dem Auslaßabschnitt.
(Zweite Ausführungsform)
Die 4 zeigt ein Schaltbild der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 100a gemäß einer zweiten Ausführungsform. Beim Brennstoffzellensystem 100a ist die Leitung 106 nicht mit der Leitung 105, sondern mit der Mitte der Anode 3b verbunden und unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 100.
Der der Anode 3b zugeführte Wasserstoff wird für die Erzeugung elektrischer Leistung benutzt, wenn der Wasserstoff an der Anode 3b fließt, und die Dichte des Wasserstoffs nimmt nahe dem Auslass der Anode 3b ab. Demgemäß wird die elektrische Leistung in der Brennstoffzelle 3 nicht gleichmäßig erzeugt.
Das Abdampfgas wird bei der Ausführungsform in der Mitte der Anode 3b zugeführt, und die Verringerung der Wasserstoffdichte auf der Auslaßseite der Anode 3b wird beschränkt. Demgemäß wird die elektrische Leistung in jedem Bereich der Brennstoffzelle 3 im wesentlichen gleich erzeugt. Die Verbindungsposition der Leitung 106 und der Anode 3b ist nicht begrenzt, wenn die Leitung 106 mit der Mitte der Anode 3b verbunden wird.
Beim Brennstoffzellensystem 100a ist gemäß der Ausführungsform der Ausstoß des Abdampfgases zur Außenseite behindert. Es ist deshalb nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung, wie die Verdünnungsvorrichtung, für das nach außen abströmende Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems 100a vereinfacht. Es ist möglich, das Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum einzuschließen, wenn die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung erzeugt, und die Brennstoffzelle 3 kann bei der nächsten Erzeugung elektrischer Leistung das Abdampfgas als Brennstoff benutzen. Es ist deshalb möglich, den Verlust an Wasserstoff zu begrenzen. Demzufolge ist es möglich, die Verringerung der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems 100a zu verhindern.

Claims

Brennstoffzellensystem (100), dadurch gekennzeichnet, daß es umfasst: einen flüssigen Wasserstoff speichernden Speicherabschnitt (6), eine Wasserstoff als Brenngas nutzende Brennstoffzelle (3), einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, der einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführt, wobei das Wasserstoffgas durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt wird, ein Wasserstoffkreislaufsystem, das die Anode der Brennstoffzelle einschließt, einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt, der im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zuführt; und eine Heizvorrichtung (15), welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert; wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt, wobei die Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem und stromab von der Anode angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt ein erstes Ventil aufweist, das dem Wasserstoffkreislaufsystem das Abdampfgas zuführt, wenn der Druck des Abdampfgases größer ist als ein Schwellenwert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt ein zweites Ventil aufweist, das einen Rückfluß des Abdampfgase vom Wasserstoffkreislaufsystem in den Speicherabschnitt verhindert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffkreislaufsystem einen Auslaßabschnitt aufweist, der stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab von der Anode angeordnet ist und Gas aus dem Wasserstoffkreislaufsystem abführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab vom Auslaßabschnitt angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100a), dadurch gekennzeichnet, daß es umfasst: einen flüssigen Wasserstoff speichernden Speicherabschnitt (6), eine Wasserstoff als Brenngas nutzende Brennstoffzelle (3), einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, der einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zuführt, wobei das Wasserstoffgas durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugt wird, ein Wasserstoffkreislaufsystem, das die Anode der Brennstoffzelle einschließt, einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt, der im Speicherabschnitt entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zuführt; und eine Heizvorrichtung (15), welche die Temperatur des Speicherabschnitts steuert; wobei das Wasserstoffkreislaufsystem einen Wasserstoffumwälzabschnitt aufweist, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt, wobei die Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, sich in der Mitte der Anode befindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter umfasst: einen Druckfeststellungsabschnitt, der den Druck im Wasserstoffkreislaufsystem ermittelt, und einen Ermittlungsabschnitt, der feststellt, ob das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, wenn ein vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellter Wert größer ist als ein Schwellenwert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfeststellungsabschnitt stromab vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromauf von der Anode vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter eine Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs umfaßt, die den Mengestrom des im Wasserstoffkreislaufsystem strömenden Wasserstoffs steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffumwälzabschnitt eine Wasserstoffpumpe ist, und die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs die Drehzahl der Wasserstoffpumpe steuert, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung für den Umwälzmengenstrom des Wasserstoffs die Wasserstoffpumpe derart steuert, daß die Drehzahl der Wasserstoffpumpe verringert wird, wenn der Ermittlungsabschnitt feststellt, daß das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter einen Störungserkennungsabschnitt umfaßt, der feststellt, daß der Speicherabschnitt gestört ist, wenn der vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellte Wert über eine gegebene Zeit hinaus größer ist als der Schwellenwert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffzellensystem eine Steuerung aufweist, die eine Energiezufuhr zur Heizvorrichtung steuert und die Energiezufuhr der Heizvorrichtung stoppt, wenn der Störungserkennungsabschnitt feststellt, daß eine Störung des Speicherabschnitts vorliegt.