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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine
Vorrichtung zum Steuern der Stromerzeugung.
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Stand der Technik
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In
einem Brennstoffzellensystem werden einer Brennstoffzelle das durch
Wasserstoffgas verkörperte Brenngas und das durch Luft
verkörperte gasförmige Oxidationsmittel zugeführt
und durch die Bildungsreaktion (Wasserbildungsreaktion) zwischen dem
Brenngas und dem gasförmigen Oxidationsmittel wird elektrischer
Strom erzeugt. Als Brennstoffzelle wurden verschiedene Arten von
Brennstoffzellen entwickelt. Von diesen zieht eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
(PEFC), die keine Probleme bezüglich einer Vergeudung oder
Rückhaltung eines Elektrolyten zeigt, mit den Vorteilen,
dass sie bei Raumtemperatur anfährt und die Aufwärmzeit
extrem kurz ist, besondere Aufmerksamkeit auf sich. Um eine Hochspannung
zu erhalten, werden in beweglichen Körpern, wie Kraftfahrzeugen,
gestapelte PEFCs eingeführt.
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In
dieser Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle leitet eine Polymerelektrolytschicht
Protonen in der Reaktion zwischen dem Brenngas und dem gasförmigen
Oxidationsmittel. Um eine Bildungsreaktion effizient aufrechtzuerhalten,
ist es daher notwendig, den Feuchtezustand oder die Temperaturbedingung der
Polymerelektrolytschicht zu überwachen und sie in einem
geeigneten Zustand zu steuern.
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Um
eine solche Steuerung durchzuführen, schlägt zum
Beispiel die Patentdruckschrift 1 ein Brennstoffzellensystem und
ein Verfahren zum Messen der Temperatur, der Feuchte und der Strömungsgeschwindigkeit
des in die Brennstoffzelle einströmenden Gases und des
ausströmenden Gases aus der Brennstoffzelle zum Berechnen
des Wasserhaushalts unter Bezugnahme auf die Brennstoffzelle, zum
Durchführen eines Ver gleichs mit der aus dem elektrischen
Strom der Brennstoffzelle berechneten Menge an erzeugtem Wasser
zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden
Gases und zum Steuern der Menge an in der Brennstoffzelle bleibendem
Wasser auf innerhalb eines geeigneten Niveaus in der Polymerelektrolytschicht
vor.
- [Patentdruckschrift 1] Offengelegte, japanische Patentanmeldung
Nr. 2004-192973
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Offenbarung der Erfindung
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Während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems enthält die Brennstoffzelle
indessen nicht nur das als Dampf, d. h. als gasförmiger
Bestandteil, existierende Wasser, sondern auch das Wasser, das zum
Beispiel zu feinen Wassertröpfchen wird und, besonders
bei Eintreten eines Zustands der Übersättigung,
als flüssiger Bestandteil vorliegt. Um den Wasserhaushalt
der Brennstoffzelle zum genauen Erfassen des restlichen Wassers
sicher aufnehmen zu können, ist es daher erforderlich,
die Menge an Wasser zu berücksichtigen, die als solche
nach außem aus dem Brennstoffzellensystem als flüssiger Bestandteil
abgeführt wird.
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In
dem obigen herkömmlichen Brennstoffzellensystem wird das
Wasser, das in Form eines flüssigen Bestandteils vorliegt
und ausgetragen wird, jedoch nicht in die Berechnung des Wasserhaushalts einbezogen
und daher ist es schwierig, die Wassermenge und den Feuchtezustand
innerhalb der Brennstoffzelle genau zu erfassen.
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Die
Erfindung wurde daher in Anbetracht derartiger Umstände
gemacht. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
bereitzustellen, das in der Lage ist, die Menge an Wasser innerhalb
einer Brennstoffzelle genauer zu erfassen und den Feuchtezustand
innerhalb der Brennstoffzelle genauer und präziser zu bestimmen.
Es ist auch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung
zum Steuern des Arbeitsablaufs bereitzustellen, die in der Lage
ist, eine effiziente Steuerung der Arbeitsabläufe einer
Brennstoffzelle durch Verwenden einer Datentabelle, in der die als
Betriebsergebnisse des Brennstoffzellensystems der Erfindung erhaltene
Bildungsmenge mit den optimalen Zuleitungsmengen an Brenngas und
gasförmigem Oxidationsmittel in Verbindung steht, durchzuführen.
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Um
die obigen Ziele zu erreichen, wird gemäß einem
Aspekt der Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt,
das eine Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands einschließt,
die den Wasserhaushalt in einer Brennstoffzelle und den Feuchtezustand
der Brennstoffzelle aus der in die Brennstoffzelle einströmenden
Wassermenge und der aus der Brennstoffzelle ausströmenden
Wassermenge und einer darin gebildeten Wassermenge bestimmt, wobei
die Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands die einströmende
Wassermenge, die Menge an Wasser, die als gasförmiger Bestandteil
aus der Brennstoffzelle ausströmt und die Menge an Wasser,
die als flüssiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle ausströmt,
die beide als verbrauchte Wassermenge vorgesehen sind, und die gebildete Wassermenge
auf Basis der physikalischen Menge an in die Brennstoffzelle einströmendem
Gas, der physikalischen Menge an aus der Brennstoffzelle ausströmendem
Gas und der Zustandsmenge der Brennstoffzelle berechnet.
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In
dem Brennstoffzellensystem mit dem obigen Aufbau berechnet die Einheit
zur Bestimmung des Feuchtezustands die in die Brennstoffzelle einströmende
Wassermenge, die aus der Brennstoffzelle ausströmende Wassermenge
und die Menge an gebildetem Wasser und bestimmt dann auf Basis derselben
den Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle. Infolgedessen wird die
innerhalb der Brennstoffzelle bleibende Menge an Wasser erfasst
und der Feuchtezustand innerhalb der Brennstoffzelle bestimmt. Da
nicht nur die als gasförmiger Bestandteil ausströmende
Menge an Wasser, sondern auch die als flüssiger Bestandteil
ausströmende Menge an Wasser zusätzlich als ausströmende
Wassermenge betrachtet wird, wird der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle
in diesem Fall genau erfasst.
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Insbesondere
berechnet die Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands vorzugsweise
die einströmende Wassermenge durch Verwenden der Strömungsgeschwindigkeit,
des Drucks und der Feuchte oder der Taupunkttemperatur als physikalische
Menge des einströmenden Gases, berechnet die als gasförmiger
Bestandteil ausströ mende Menge an Wasser durch Verwenden
der Strömungsgeschwindigkeit, des Drucks und der Feuchte
oder der Taupunkttemperatur oder Temperatur als physikalische Menge
des ausströmenden Gases und berechnet die gebildete Wassermenge
aus dem erzeugten Strom als Zustandsmenge der Brennstoffzelle.
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In
diesem Fall wird das Volumen des einströmenden Gases pro
Zeiteinheit aus der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druck
des einströmenden Gases berechnet und die in die Brennstoffzelle
als gasförmiger Bestandteil eingetragene Menge an Wasser,
d. h. die einströmende Wassermenge wird aus dem Volumen
des einströmenden Gases und der Feuchte (relative Feuchte
oder absolute Feuchte) oder einer Taupunkttemperatur erhalten, d.
h. ein Maß des Gehalts an Wasser als gasförmiger
Bestandteil des einströmenden Gases. Die als gasförmiger
Bestandteil aus der Brennstoffzelle ausströmende Menge
an Wasser wird ferner in ähnlicher Weise aus der Strömungsgeschwindigkeit,
dem Druck und der Feuchte oder der Taupunkttemperatur des ausströmenden
Gases erhalten. Da der gebildete Strom dem Ausmaß der Reaktion
des einströmenden Gases (Brenngas und gasförmiges
Oxidationsmittel) in der Brennstoffzelle entspricht, wird zudem die
durch die Reaktion pro Zeiteinheit gebildete Menge an Wasser aus
dem gebildeten Strom erhalten.
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Wenn
der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle hier positiv (plus) ist,
d. h. die Gesamtmenge aus der in die Brennstoffzelle einströmenden
Wassermenge und der gebildeten Wassermenge (erhöhte Menge
an Wasser) größer als die ausströmende Wassermenge
(verringerte Menge an Wasser) ist, ist die Brennstoffzelle allgemein übersättigt.
Infolgedessen kann etwas Wasser zu feinen Tröpfchen in
Form von zum Beispiel Nebel werden und daher als flüssiger
Bestandteil vorhanden sein. Es ist daher auch möglich,
das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Wasser, das als flüssiger
Bestandteil ausströmen kann, auf der Basis zu bestimmen,
ob die Bilanz der einströmenden Wassermenge, der als gasförmiger
Bestandteil ausströmenden Menge an Wasser und gebildeten
Wassermenge, die wie oben beschrieben berechnet wurden, positiv
oder negativ (plus oder minus) ist.
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Wenn
die Brennstoffzelle betrieben wird, sind das Gas innerhalb der Brennstoffzelle
und das ausströmende Gas ferner allgemein übersättigt.
Daher kann statt der Feuchte oder der Taupunkttemperatur des ausströmenden
Gases die als gasförmiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle
ausströmende Menge an Wasser unter Verwenden einer eindeutig aus
der Temperatur bestimmten gesättigten Dampfmenge berechnet
werden. Dies macht das Messen der Feuchte und der Taupunkttemperatur
tatsächlich unnötig.
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Zudem
berechnet insbesondere die Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands
die verbrauchte Menge des innerhalb der Brennstoffzelle verbrauchten
einströmenden Gases aus dem erzeugten Strom und berechnet
die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden
Gases aus der verbrauchten Menge und der Strömungsgeschwindigkeit
des einströmenden Gases.
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Da
der erzeugte Strom dem Ausmaß der Reaktion, d. h. der Verbrauchsmenge
der in die Brennstoffzelle einströmenden Gase (Brenngas
und gasförmiges Oxidationsmittel) entspricht, wird die
verbrauchte Menge des einströmenden Gases, wie oben beschrieben,
einfach berechnet. Das Messen der Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gases ist daher tatsächlich
unnötig.
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Zudem
berechnet die Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands bevorzugt
die bei tatsächlichem Betrieb der Brennstoffzelle als flüssiger Bestandteil
ausströmende Menge an Wasser auf Basis „der Beziehung
der als flüssiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle ausströmenden
Menge an Wasser unter Bezugnahme auf die Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gases", die vor dem tatsächlichen
Betrieb der Brennstoffzelle erhalten wird, und der Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gases, wenn die Brennstoffzelle tatsächlich
betrieben wird. Daneben kann die als flüssiger Bestandteil
aus der Brennstoffzelle ausströmende Menge an Wasser durch
mindestens eines von der Menge des von der Brennstoffzelle erzeugten
Stroms, der Temperatur des ausströmenden Gases und der
Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden Gases berechnet
werden.
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Da
das Wasser, das als flüssiger Bestandteil, wie feine Tröpfchen,
innerhalb der Brennstoffzelle vorliegt, zusammen mit dem Strom des
ausströmenden Gases aus der Brennstoffzelle ausströmen
kann, ist es zudem auch möglich, nur die Tröpfchen
in dem ausströmenden Gas zu erfassen oder eine Probe des ausströmenden
Gases zu nehmen, um die als flüssiger Bestandteil ausströmende
Menge an Wasser zu messen oder zu bewerten.
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Wenn
das aus der Brennstoffzelle ausströmende Gas in einem übersättigten
Zustand vorliegt, wird das Verhältnis zwischen dem Wasser
als gasförmiger Bestandteil und dem Wasser als flüssiger
Bestandteil, der in einem ausströmenden Gas vorhanden sein
kann, durch den aus der Temperatur desselben bestimmten Wasserdampfdrucks
bestimmt, die mit dem ausströmenden Gas als flüssiger
Bestandteil aus der Brennstoffzelle ausströmende Menge
an Wasser wird jedoch in hohem Maß von der Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gases beeinflusst. Die Strömungsgeschwindigkeit
des ausströmenden Gases neigt zudem dazu, mit der Leistung
(Ausgangsleistung, erzeugter Strom) der Brennstoffzelle in dem Betriebszustand
der Brennstoffzelle zu korrelieren.
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Daher
können Parameter wie die Leistung der Brennstoffzelle und/oder
die Strömungsgeschwindigkeit des ausströmenden
Gases mit der als flüssiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle
ausströmenden Menge an Wasser korrelieren. Die als flüssiger
Bestandteil ausströmende Menge an Wasser wird dementsprechend
durch vorheriges Erfassen der Korrelation unter auf die Brennstoffzelle
gerichtete Bezugnahme und Vergleichen der Übereinstimmung
mit den tatsächlichen Messwerten für die Parameter
einfach und präzise berechnet.
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Ferner
ist besonders bevorzugt, dass die Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands
die als flüssiger Bestandteil ausströmende Menge
an Wasser berechnet, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle oder
des ausströmenden Gases unterhalb einer vorgegebenen Temperatur
liegt.
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Da
der Sättiguns-Wasserdampfdruck auch abnimmt, wenn sich
die Temperatur des ausströmenden Gases verringert, erhöht
sich die Menge an Wasser als flüssiger Bestandteil, die
in dem ausströmenden Gas vorhanden sein kann, und dadurch
erhöht sich auch die Menge an Wasser, die als flüssiger
Bestandteil aus der Brennstoffzelle ausströmt. Insbesondere
wenn die Brennstoffzelle in einem Zustand niedriger Temperatur ist
und die Temperatur des ausströmenden Gases unterhalb einer
vorgegebenen Temperatur ist, wird die während eines solchen
Zustands niedriger Temperatur in der Brennstoffzelle bleibende Menge
an Wasser durch Berechnen der als flüssiger Bestandteil
ausströmenden Menge an Wasser zum Bestimmen der Wasserbilanz
daher genauer erfasst.
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Genauer
gesagt ist es von Nutzen, dass das einströmende Gas und
das ausströmende Gas Brenngas und/oder gasförmiges
Oxidationsmittel sind.
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Im
Allgemeinen wird in der Brennstoffzelle auf der Seite einer Sauerstoffelektrode
(Kathode), der das gasförmige Oxidationsmittel zugeleitet
wird, Wasser erzeugt, wenn Strom erzeugt wird. Dieses Wasser kann
mittels Kondensation verflüssigt werden und in einem Gasströmungsdurchlass
durch Benetzen usw. stagnieren. Wenn das Wasser nicht aus dem System
ausströmen kann, ist infolgedessen ein so genannter Flutungszustand,
in dem der Strömungsdurchlass des gasförmigen
Oxidationsmittels blockiert ist, geneigt einzutreten. Dies wird
die Stromerzeugung behindern und die Leistung der Brennstoffzelle
verringern. Da das gebildete Wasser auch durch eine Elektrolytmembran
zu einer Brennstoffelektrode (Anode) hin abgesondert werden kann,
kann zudem der Strömungsdurchlass des Brenngases blockiert
werden und dadurch in ähnlicher Weise das Fluten eintreten.
Es ist daher bevorzugt, die als flüssiger Bestandteil ausströmende
Menge an Wasser unter Bezugnahme auf sowohl das Brenngas als auch
das gasförmige Oxidationsmittel von dem Gesichtspunkt des
Beitrags zu der Steuerung zum Vorbeugen gegen dieses Fluten zu berechnen
und es ist auch bevorzugt, eine solche Berechnung unter Bezugnahme
auf das gasförmige Oxidationsmittel durchzuführen,
wenn eine solche Berechnung unter Bezugnahme auf entweder das Brenngas
oder das gasförmige Oxidationsmittel durchgeführt
wird.
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Da
der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle durch in Betracht ziehen
von nicht nur der als gasförmiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle
ausströmenden Menge an Wasser, sondern auch der als flüssiger
Bestandteil ausströmenden Menge an Wasser bestimmt wird,
kann die Wassermenge in der Brennstoffzelle gemäß einem
solchen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
genauer erfasst werden, wodurch der Feuchtezustand innerhalb der Brennstoffzelle
genauer und präziser bestimmt werden kann.
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Ferner
schließt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Steuern der Leistung eine Speichereinheit, die eine Datentabelle
abspeichert, in der eine Leistung der Brennstoffzelle, die auf Basis
des Ergebnisses der Bestimmung des Wasserhaushalts der Brennstoffzelle
und des Ergebnisses der Bestimmung des Feuchtezustands der Brennstoffzelle
in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eingestellt
ist, mit den Strömungsgeschwindigkeiten der Zuleitung des
Brenngases und des gasförmigen Oxidationsmittels, die zum
Erhalten der Leistung erforderlich sind, in Zusammenhang steht;
und eine Steuereinheit, die eine Betriebssteuerung des Zuleitens
des Brenngases und des gasförmigen Oxidationsmittels zu
der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen, die von der Brennstoffzelle
verschieden sind, so dass eine gewünschte Leistung in der
Brennstoffzelle oder den anderen Brennstoffzellen auf Basis der
Datentabelle erhalten werden kann, ein.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
ein Blockdiagramm, das schematisch eine Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem ausströmenden
Volumenstrom von Luft aus einer Brennstoffzelle und dem ausströmenden Volumenstrom
von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle und der als flüssiger
Bestandteil ausströmenden Menge an Wasser zeigt; und
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3 ist
ein Graph, der die Beziehung zwischen dem erzeugten Strom der Brennstoffzelle
und der als flüssiger Bestandteil ausströmenden
Gesamtmenge an Wasser zeigt.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich
beschrieben. Daneben sind die gleichen Bezugszeichen für
gleiche Elemente angegeben und eine doppelte Beschreibung wird unterlassen.
Soweit nicht anders definiert, soll die positionelle Beziehung wie
oben, unten, rechts und links ferner auf der in den Figuren gezeigten
positionellen Beziehung basieren. Das Dimensionsverhältnis
der Figuren ist nicht auf das Verhältnis der Veranschaulichung
beschränkt.
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Wie
oben beschrieben, ist 1 ein Blockdiagramm, das schematisch
eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystem gemäß der
Erfindung zeigt. Ein Brennstoffzellensystem 1 schließt
eine Brennstoffzelle 2 vom Festpolymerelektrolyttyp ein, die
eine Stapelstruktur, in der eine Reihe von Zellen gestapelt ist,
aufweist. Zum Erzeugen von elektrischem Strom wird der Brennstoffzelle 2 Luft
als gasförmiges Oxidationsmittel und Wasserstoffgas (Hz) als
Brenngas zugeführt.
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Ein
Luftzuführsystem 3, das ein Zuleitungsrohr 11 zum
Zuleiten von Luft (einströmendes Gas) zu der Brennstoffzelle 2 und
ein Ableitungsrohr 12 zum Ableiten des Luftabgases (ausströmendes
Gas), von der Brennstoffzelle 2 nach außen, aufweist,
ist mit dem Brennstoffzellensystem 1 verbunden. Ein Kompressor 14,
der über einen Filter 13 eine Atmosphäre
aufnimmt, und eine Befeuchtungseinrichtung 15, die die
durch den Kompressor 14 gezwängte Luft befeuchtet,
sind in dem Zuleitungsrohr 11 angeordnet. Ferner sind ein
Strömungsmesser F10, ein Druckmessgerät P10 und
ein Hygrometer H10 in den Abschnitten des Zuleitungsrohrs 11 zwischen
der Brennstoffzelle 2 und der Befeuchtungseinrichtung 15 vorgesehen.
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Des
Weiteren ist die Befeuchtungseinrichtung 15 so vorgesehen,
dass sie auch an dem Ableitungsrohr 12 angeordnet ist,
wodurch ein Wasseraustausch zwischen der zu zuführenden
Luft und der Abgasluft durchgeführt wird. Nach dem Wasseraustausch
wird die Luft der Brennstoffzelle 2 über das Zuleitungsrohr 11 zugeleitet
und ist für die Stromerzeugung in der Brennstoffzelle 2 vorgesehen.
Ein den Gegendruck regulierendes Ventil 16, das den Druck
der Luft in der Brennstoffzelle 2 reguliert, ist in dem
Abschnitt des Ableitungsrohrs 12 zwischen der Befeuchtungseinrichtung 15 und
der Brennstoffzelle 2 eingebaut. Nachdem das durch das
Ableitungsrohr 12 fließende Abgasluft für
den Wasseraustausch in der Befeuchtungseinrichtung 15 durch
das den Gegendruck regulierende Ventil 16 bereitgestellt
wird, strömt sie schließlich in die Atmosphäre
außerhalb des Systems. Zudem sind ein Druckmessgerät
P11 und ein Thermometer T11 in den Abschnitten des Ableitungsrohrs 12 zwischen
der Brennstoffzelle 2 und dem den Gegendruck regulierenden
Ventil 16 vorgesehen.
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Des
Weiteren ist ein System für die Zufuhr von Wasserstoffgas 4 mit
dem Brennstoffzellensystem 1 verbunden. Das System zum
Zuleiten von Wasserstoff weist einen Hochdruckbehälter 21,
der als Quelle für die Zufuhr von Wasserstoff dient und Wasserstoffgas
mit hohem Druck (einströmendes Gas) speichert, ein Zuleitungsrohr 22,
das der Brennstoffzelle 2 Wasserstoffgas aus dem Hochdruckbehälter 21 zuführt,
ein Umlaufrohr 23 zum Rückführen des
Wasserstoffabgases (nicht umgesetztes Wasserstoffgas; Abgas), das
aus der Brennstoffzelle 2 zu dem Zuleitungsrohr 22 ausströmt,
eine Wasserstoffpumpe 24, die ein Rückfließen
des Wasserstoffabgases aus dem Umlaufrohr 23 zu dem Zuleitungsrohr 22 bewirkt,
und ein Ableitungsrohr 25, das mit dem Umlaufrohr 23 verzweigt
verbunden ist und ein mit dem Ableitungsrohr 12 des Luftzuleitungssystems 3 verbundenes
stromabwärtiges Ende aufweist.
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Ein
Regelventil 27, das einen Druck von neuem Wasserstoffgas
aus dem Hochdruckbehälter 21 reguliert, ist an
der stromaufwärtigen Seite des Zuleitungsrohrs 22 eingebaut
und das Umlaufrohr 23 ist mit einem Anschlussstück
A auf der stromabwärtigen Seite des Regelventils 27 verbunden.
Der Brennstoffzelle 2 wird ein Mischgas zugeleitet, das
aus dem neuen Wasserstoffgas und dem Wasserstoffabgas besteht, welche
an dem Anschlussstück A zusammengeführt werden.
Ferner sind ein Strömungsmesser F20, ein Druckmessgerät
P20 und ein Hygrometer H20 in den Abschnitten des Zuleitungsrohrs 22 zwischen
der Brennstoffzelle 2 und dem Anschlussstück A
vorgesehen.
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Ein
Gas-Flüssigkeitsabscheider 30, der Wasser von
dem Wasserstoffabgas trennt, das durch das Umlaufrohr 23 strömt,
ist an der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffpumpe 24 des
Umlaufrohrs 23 eingefügt. Die Flüssigkeit,
die durch das Umlaufrohr 23 strömt, enthält
das aus der Brennstoffzelle 2 ausströmende Wasserstoffabgas
und das durch eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 2 gebildete
Wasser. In dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 wird
das gebildete Wasser von dem Wasserstoffabgas abgetrennt. Während
das durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 abgetrennte
Wasser durch die Wasserstoffpumpe 24 an dem Anschlussstück
A ankommt, strömt das durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 abgetrennte
Wasser aus einem Flüssigkeitsrohr 32 über
ein Ablaufventil 31 zu dem Ableitungsrohr 12 des
Luftzuleitungssystems 3 aus.
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Das
Flüssigkeitsrohr 32 weist ein mit dem Ablaufventil 31 des
Gas-Flüssigkeitsabscheiders 30 verbundenes stromaufwärtiges
Ende und ein mit dem Ableitungsrohr 12 des Luftzuleitungssystems 3 verbundenes
stromabwärtiges Ende auf und fungiert als Rohr, das ein
Strömen des durch den Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 abgetrennte
Wasser in das Ableitungsrohr 12 bewirkt. Zudem sind ein
Druckmessgerät P21 und ein Thermometer T21 in den Abschnitten
des Umlaufrohrs 23 zwischen der Brennstoffzelle 2 und
dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 vorgesehen.
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In
dem Ableitungsrohr 25 ist ein Absaugventil 33,
das als Absperrventil fungiert, das das Ableitungsrohr 25 öffnet
und schließt, vorgesehen. Während das Absaugventil 33 in
geeigneter Weise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 geöffnet
wird, werden die Verunreinigungen in dem Wasserstoffabgas zusammen
mit dem Wasserstoffabgas durch das Ableitungsrohr 25 zu
dem Ableitungsrohr 12 des Sauerstoffsystems abgeführt. Durch
Bereitstellen des Ableitungsrohrs 25 sinkt die Konzentration
der Verunreinigungen in dem Wasserstoffabgas und die Konzentration
des umlaufend zuzuführenden Wasserstoffs in dem Wasserstoffabgas kann
erhöht werden. Obwohl der Gas-Flüssigkeitsabscheider 30 vorgesehen
ist, enthält die durch das Ableitungsrohr 25 strömende
Flüssigkeit neben dieser Art von Verunreinigungen Wasser.
Das heißt, dass das Ableitungsrohr 25 als Flüssigkeitsrohr
fungiert, das das Strömen der Flüssigkeit, die
das durch das Ableitungsrohr 25 strömende Wasser
enthält, in das Ableitungsrohr 12 des Luftzuführungssystems 3 bewirkt.
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Ferner
ist ein Ausgabesystem 5 mit einem DC-DC-Wandler und einem
Stromspeicher (beide sind nicht gezeigt) über einen Betriebsstecker
(nicht gezeigt) mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Des Weiteren
weist das Brennstoffzellensystem 1 eine arithmetische Verarbeitungs-
und Speichereinheit 91 mit einer CPU oder MPU und einen
Speicher und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 92 auf
und eine Steuereinheit 9 (Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands),
die über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 92 mit
dem Luftzuleitungssystem 3, dem Wasserstoffgaszuleitungssystem 4 und
dem Ausgabesystem 5 verbunden ist. Daneben werden, wie
später beschrieben, in der arithmetischen Verarbeitungs- und
Speichereinheit 91 verschiedene Arten von Operationen durchgeführt
und die Ergebnisse der Berechnung aus den Operationen werden sequenziell in
dem Speicher abgespeichert.
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Ferner
sind die oben genannten Strömungsmesser F10 und F20, Druckmessgeräte
P10, P11, P20, P21, Hygrometer H10 und H20 und Thermometer T11 und
T21 über die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 92 mit
der Steuereinheit 9 verbunden.
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In
dem so aufgebauten Brennstoffzellensystem 1 werden, wenn
das Zuführen von Luft und Wasserstoffgas zu der Brennstoffzelle
begonnen wird und die Brennstoffzelle 2 in Betrieb genommen
wird, der Durchsatz f (Lufteingang), der Druck p (Druckeingang)
und die Feuchte h (Lufteingang) der in die Brennstoffzelle 2 strömenden
Luft tatsächlich durch den Strömungsmesser F10,
das Druckmessgerät P10 und das Hygrometer H10 gemessen,
die in dem Luftzuführungsrohr 11 vorgesehen sind.
Des Weiteren werden der Druck p (Luftausgang) und die Temperatur
t (Luftausgang) der aus der Brennstoffzelle 2 ausströmenden
Luft tatsächlich durch das Druckmessgerät P11
und das Thermometer T11 gemessen, die in dem Luftableitungsrohr 12 vorgesehen sind.
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In ähnlicher
Weise werden der Durchsatz f (Wasserstoffeingang), der Druck p (Wasserstoffeingang)
und die Feuchte h (Wasserstoffeingang) des in die Brennstoffzelle 2 strömenden
Wasserstoffgases tatsächlich durch den Strömungsmesser
F20, das Druckmessgerät P20 und das Hygrometer H20 gemessen,
die in dem Wasserstoffgaszuleitungsrohr 22 vorgesehen sind.
Des Weiteren werden der Druck p (Wasserstoffausgang) und die Temperatur
t (Wasserstoffausgang) des aus der Brennstoffzelle 2 ausströmenden
Wasserstoffgases tatsächlich durch das Druckmessgerät
P21 und das Thermometer T21 gemessen, die in dem Wasserstoffgasumlaufrohr 23 vorgesehen
sind.
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Die
tatsächlichen Messsignale dieser physikalischen Mengen
unter Bezugnahme auf die Luft und das Wasserstoffgas werden kontinuierlich
oder periodisch in bestimmten Zeitintervallen an die Steuereinheit 9 ausgegeben.
Ferner wird in dem Ausgabesystem 5 der durch die Stromerzeugung
der Brennstoffzelle 2 erhaltene erzeugte Strom I gemessen
und das tatsächliche Messsignal desselben wird an die Steuereinheit 9 ausgegeben.
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Die
Steuereinheit 9 führt verschiedene Arten von Operationen
auf Basis der tatsächlichen Messsignale durch. Das heißt,
dass das Volumen (die Menge) der in die Brennstoffzelle 2 pro
Zeiteinheit strömenden Luft aus dem Einströmdurchsatz
f (Lufteingang) und dem Einströmdruck p (Lufteingang) der Luft
erhalten wird und die Menge W (Lufteingang) des in die Brennstoffzelle 2 pro
Zeiteinheit durch die Luft eingetragenen (einströmenden)
Wassers wird aus dem Volumen der Luft und der Feuchte h (Lufteingang)
berechnet. Ferner wird das Volumen (die Menge) des in die Brennstoffzelle 2 pro
Zeiteinheit strömenden Wasserstoffgases aus dem Einströmdurchsatz
f (Wasserstoffeingang) und dem Einströmdruck p (Wasserstoffeingang)
des Wasserstoffgases erhalten und die Menge W (Wasserstoffeingang)
des in die Brennstoffzelle 2 pro Zeiteinheit durch das Wasserstoffgas
eingetragenen (einströmenden) Wassers wird aus dem Volumen
des Wasserstoffgases und der Feuchte h (Lufteingang) berechnet.
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Da
der erzeugte Strom I mit der Menge an Sauerstoffgas und der Menge
an Wasserstoffgas korreliert, die in der pro Zeiteinheit in der
Brennstoffzelle 2 verbrauchten Luft enthalten sind, werden
zudem der Durchsatz der Luft und der Durchsatz des Wasserstoffgases
(die beide Verbrauchsdurchsätze sind), die in der Bennstoffzelle 2 verbraucht
werden, aus dem erzeugten Strom I berechnet. Die Differenz zwischen
jeder der Verbrauchsdurchsätze und dem Einströmdurchsatz
f (Lufteingang) der Luft oder dem Einströmdurchsatz f (Wasserstoffeingang)
des Wasserstoffgases in die Brennstoffzelle 2 wird als
Ausströmdurchsatz f (Luftausgang) der Luft oder Ausströmdurchsatz
f (Wasserstoffausgang) des Wasserstoffgases aus der Brennstoffzelle 2 berechnet.
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Das
Volumen (die Menge) der pro Zeiteinheit aus der Brennstoffzelle 2 ausströmenden
Luft wird ferner aus dem Ausströmdurchsatz f (Luftausgang) der
als solche erhaltenen Luft und des tatsächlich gemessenen
Ausströmdrucks p (Luftausgang) erhalten. Dann wird die
Menge Wv (Luftausgang) des pro Zeiteinheit als gasförmiger
Bestandteil durch die Luft aus dem Inneren der Brennstoffzelle 2 ausgetragenen (abgeführten)
Wassers aus dem Volumen der Luft und dem gesättigten Wasserdampfdruck
(der gesättigten Dampfmenge) bei der Temperatur t (Luftausgang)
berechnet.
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In ähnlicher
Weise wird das Volumen (die Menge) der pro Zeiteinheit aus der Brennstoffzelle 2 ausströmenden
Luft aus dem Ausströmdurchsatz f (Wasserstoffausgang) des
wie oben beschrieben erhaltenen Wasserstoffgases und dem tatsächlich
gemessenen Ausströmdruck p (Wasserstoffausgang) erhalten.
Dann wird die Menge Wv (Wasserstoffausgang) des pro Zeiteinheit
als gasförmiger Bestandteil durch das Wasserstoffgas aus
der Brennstoffzelle 2 ausgetragenen (abgeführten)
Wassers aus dem Volumen der Luft und dem gesättigten Wasserdampfdruck
(der gesättigten Dampfmenge) bei der Temperatur t (Wasserstoffausgang)
berechnet.
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Da
der erzeugte Strom I mit der Menge an Sauerstoffgas und der Menge
an Wasserstoffgas, die in der pro Zeiteinheit in der Brennstoffzelle 2 verbrauchten
Luft enthalten sind, wie oben beschrieben, wird die Menge Wg an
in der Brennstoffzelle 2 gebildetem Wasser zudem stöchiometrisch
aus dem erzeugten Strom I berechnet.
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Dann
werden die auf diese Weise berechneten Mengen W (Lufteingang) und
Wg aufaddiert und dadurch wird die erhöhte Menge an Wasser
pro Zeiteinheit in der Brennstoffzelle 2 berechnet. Ferner werden
die Mengen Wv (Luftausgang) und Wv (Wasserstoffausgang) aufaddiert
und dadurch die verringerte Menge (hier die als gasförmiger
Bestandteil ausströmende Menge an Wasser) des Wassers pro Zeiteinheit
in der Brennstoffzelle 2 berechnet. Dann wird, falls erforderlich,
durch Subtrahieren der verringerten Menge von der erhöhten
Menge an Wasser, die wie oben beschrieben erhalten wurden, bestimmt,
ob der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle 2 positiv
oder negativ ist.
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Wenn
der Wasserhaushalt negativ (minus) ist, zeigt dies, dass die als
gasförmiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle 2 abgeführte
Menge an Wasser mehr ist als die Gesamtmenge an Wasser, das in die
Brennstoffzelle 2 einströmte und in der Brennstoffzelle
gebildet wurde. Die Luft und das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 2 sind
daher im Allgemeinen nicht übersättigt und daher
ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass das Wasser durch Kondensation
Tröpfchen bildet und als flüssiger Bestandteil
vorliegt.
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Im
Gegensatz dazu ist, wenn der Wasserhaushalt positiv (plus) ist,
die Luft und/oder das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 2 übersättigt
und daher ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass das Wasser durch
Kondensation Tröpfchen bildet und als flüssiger
Bestandteil vorhanden ist. In diesem Fall kann das wie oben beschrieben
als flüssiger Bestandteil vorliegende Wasser durch die
Luft und das Wasserstoffgas, die aus der Brennstoffzelle 2 ausströmen, aus
der Brennstoffzelle 2 abgeführt werden.
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Wenn
der Wasserhaushalt positiv (plus) ist, werden die als flüssiger
Bestandteil durch die Luft aus der Brennstoffzelle 2 ausströmende
Wassermenge W1 (Luftausgang) und die als flüssiger Bestandteil durch
das Wasserstoffgas ausströmende Wassermenge W1 (Wasserstoffausgang)
oder die Gesamtmenge derselben auf Basis des Ausströmdurchsatzes
f (Luftausgang) der auszuströmenden Luft und des Ausströmdurchsatzes
f (Wasserstoffausgang) des auszuströmenden Wasserstoffgases,
die wie oben beschrieben berechnet werden, oder des erzeugten Stroms
I der Brennstoffzelle 2 berechnet.
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In
diesem Fall werden, insbesondere vor dem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1,
zuerst der Ausströmdurchsatz f (Luftausgang) der Luft und der
Ausströmdurchsatz f (Wasserstoffausgang) des Wasserstoffgases
oder der erzeugte Strom I der Brennstoffzelle 2 verschieden
verändert, dann werden die als flüssiger Bestandteil
aus der Brennstoffzelle 2 ausströmenden Mengen
an Wasser gemessen und dann wird die Beziehung zwischen denselben
im Vorlauf erhalten. Durch Abspeichern der erhaltenen Beziehung
in der Speichereinheit 9, wie zum Beispiel Tabellendaten
oder Formeldaten, und durch Anwenden des Ausströmdurchsatzes
f (Luftausgang) der Luft und des Ausströmdurchsatzes f (Wasserstoffausgang)
des Wasserstoffgases, die auf Basis der tatsächlichen Messwerte
während des tatsächlichen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 berechnet
werden, oder des tatsächlich gemessenen erzeugten Stroms
I auf die abgespeicherten Daten kann die Wassermenge W1 (Luftausgang)
und die Wassermenge W1 (Wasserstoffausgang) oder die Gesamtmenge
derselben berechnet werden.
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2 ist
hier ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Ausströmdurchsatz
f (Luftausgang) und dem Ausströmdurchsatz f (Wasserstoffausgang) des
Wasserstoffgases (die Einheit derselben ist zum Beispiel l/min)
aus der Brennstoffzelle 2 und den als flüssiger
Bestandteil durch jedes Gas ausströmenden Wassermengen
W1 (Luftausgang) und W1 (Wasserstoffausgang) (die Einheit derselben
ist zum Beispiel g/min) gezeigt. In der Figur geben die gekrümmten
Linien C1 und C2 die entsprechenden Beziehungen zwischen der Luft
und dem Wasserstoffgas wieder. Ferner ist 3 ein Graph,
der die Beziehung zwischen dem erzeugten Strom I der Brennstoffzelle 2 und
der als flüssiger Bestandteil ausströmenden Gesamtenge
(d. h. W1 (Luftausgang) + W1 (Wasserstoffausgang) an Wasser zeigt.
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In
der Steuereinheit 9 werden die als flüssiger Bestandteil
ausströmenden Mengen W1 (Luftausgang) und W1 (Wasserstoffausgang)
an Wasser oder die Gesamtmenge derselben, die auf diese Weise berechnet
werden, zu der oben angegebenen verringerten Menge an Wasser in
der Brennstoffzelle 2 addiert und des Weiteren der Wasserhaushalt bestimmt.
Basierend auf dem Ergebnis wird der Feuchtezustand in der Brennstoffzelle 2 bestimmt.
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Gemäß einem
solchen Brennstoffzellensystem 1 werden nicht nur die als
gasförmiger Bestandteil ausströmenden Mengen Wv
(Luftausgang) und Wv (Wasserstoffausgang) an Wasser sondern auch die
als flüssiger Bestandteil ausströmenden Mengen W1
(Luftausgang) und W1 (Wasserstoffausgang) an Wasser als aus der
Brennstoffzelle 2 ausströmende Menge an Wasser
berücksichtigt. Der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle 2 kann
daher genauer erfasst werden. Der Feuchtezustand in der Brennstoffzelle 2 (die
Feuchte einer Gasphase und der Feuchtekoeffizient einer Festpolymerelektrolytschicht) kann
somit genauer bestimmt werden.
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Wenn
die als flüssiger Bestandteil ausströmende Menge
an Wasser wie auf herkömmliche Weise nicht berücksichtigt
wird, besteht daher die Wahrscheinlichkeit, dass die Menge an Wasser
in der Brennstoffzelle übermäßig bestimmt
und bewertet werden kann. Dagegen kann die Wassermenge in der Brennstoffzelle 2 gemäß dem
Brennstoffzellensystem 1 der Erfindung in geeigneter Weise
bestimmt und bewertet werden. Es ist daher möglich, eine
Situation zu vermeiden, in der der Feuchtekoeffizient einer Festpolymerelektrolytschicht
aufgrund eines übermäßigen Austragens
des Wassers durch Abführen eines flüssigen Bestandteils
in unvorteilhafter Weise abfallen und damit ein Austrocknen bewirken kann.
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Die
Wahrscheinlichkeit, dass das Wasser der überflüssigen
Flüssigkeit in der Brennstoffzelle 2 verbleiben
kann, kann zudem auf Basis des Ergebnisses der Bestimmung des Wasserhaushalts
in der Brennstoffzelle 2 vorhergesagt werden. Wenn eine
solche Situation vorhergesagt wird, wird auch vorhergesagt, dass
ein Fluten in einem Strömungsdurchlass für die Luft
oder das Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle 2 durch
Taukondensation eintritt. Der Durchsatz oder die Fließgeschwindigkeit
der Luft und/oder des in die Brennstoffzelle 2 strömenden
Wasserstoffgases kann daher erhöht werden, wodurch das überflüssige Wasser
in der Brennstoffzelle 2 zwangsläufig abge führt
wird. Es ist entsprechend möglich, dem Auftreten eines
Flutens sicher vorzubeugen, wodurch die Bildungseffizienz oder das
Anlaufvermögen verbessert wird.
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Wenn
die Temperatur im Inneren (Stapeltemperatur) der Brennstoffzelle 2 oder
die Temperatur der abzuführenden Luft oder des Wasserstoffgases unterhalb
einer vorgegebenen Temperatur liegt, kann die Steuereinheit 9 zum
Durchführen der oben angegebenen Bestimmung des Wasserhaushalts
und des Feuchtezustands ferner die als flüssigen Bestandteil ausströmende
Menge an Wasser berechnen.
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Nach
den Kenntnissen des Erfinders betrug der Anteil (basierend auf der
Masse) des in dem insgesamt in der auszuströmenden Luft
oder dem Wasserstoffgas vorhandenen Wasser als Tröpfchen
vorliegenden Wassers, wenn die Stapeltemperatur einer bestimmten
Brennstoffzelle 2 80°C betrug, ungefähr 5%.
Wenn die Stapeltemperatur der Brennstoffzelle 2 20°C
betrug, betrug der Anteil (basierend auf der Masse) des in dem insgesamt
in der auszuströmenden Luft oder dem Wasserstoffgas vorhandenen Wasser
als Tröpfchen vorliegenden Wassers ungefähr 95%.
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Da,
wenn die Temperatur der auszuströmenden Luft oder des Wasserstoffgases
klein ist, die als flüssiger Bestandteil enthaltene Menge
an Wasser größer ist als in dem Fall, indem die
Temperatur höher ist, neigt wie oben beschrieben die als
flüssiger Bestandteil aus der Brennstoffzelle 2 ausgetragene Menge
an Wasser dazu, sich zu erhöhen. In diesem Fall wird der
Einfluss des Wasserhaushalts auf die Brennstoffzelle 2 relativ
groß. Wenn die oben angegebenen als flüssiger
Bestandteil ausströmenden Mengen W1 (Luftausgang) und W1
(Wasserstoffausgang) an Wasser berechnet werden, wenn die Temperatur
der Brennstoffzelle 2, die Temperatur t der abzuführenden
Luft (Luftausgang) oder die Temperatur t des abzuführenden
Wasserstoffgases (Wasserstoffausgang) unterhalb einer vorgegebenen
Temperatur liegen, kann der Wasserhaushalt der Brennstoffzelle 2 bei
einer solch niedrigen Temperatur und der Feuchtezustand der Brennstoffzelle 2 genauer bestimmt
werden. Die Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems 1 kann
daher weiter verbessert werden.
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Zudem
kann die Steuereinheit 9 den Einströmdurchsatz
f (Lufteingang) der Luft und den Einströmdurchsatz f (Wasserstoffeingang)
des Wasserstoffgases auf Basis des Wasserhaushalts in der Brennstoffzelle 2 und
des Feuchtezustands in derselben, die wie oben bestimmt wurden,
regulieren und steuern (optimieren), so dass die Stromerzeugungsreaktion
in der Brennstoffzelle in effizienter Weise aufrechterhalten werden
kann.
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Durch
Extrahieren der numerischen Daten des Einströmdurchsatzes
f (Lufteingang) der Luft und des Einströmdurchsatzes f
(Wasserstoffeingang) des Wasserstoffgases, die auf diese Weise optimiert
sind, und die Stromerzeugungsmenge zu diesem Zeitpunkt (Ausgabeleistung
oder erzeugter Strom I) ist es ferner möglich, eine Datentabelle
(eine Datenbank, eine Steuerkarte) zu erhalten, in der die Stromerzeugungsmenge
in der Brennstoffzelle 2 mit dem Strömungsdurchsatz
der Zuleitung der Luft und dem Strömungsdurchsatz der Zuleitung
des Wasserstoffgases, die zum Erhalten der Stromerzeugungsmenge erforderlich
und optimal sind, in Zusammenhang stehen.
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Wenn
so eine Datentabelle eingestellt wurde, ist es auch möglich,
einfach die optimale Menge für die Zuleitung von Luft und
Wasserstoffgas zum Erhalten einer gewünschten Stromerzeugungsmenge
mit der Brennstoffzelle 2 auf Basis der Datentabelle zu
bestimmen. Somit kann die effiziente Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 2 realisiert
werden.
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Wenn
eine solche Datentabelle vor den Betriebsdaten der Brennstoffzelle 2 eingestellt
wird und in einer Vorrichtung, wie einer arithmetischen Verarbeitungs-
und Speichereinheit 91 abgespeichert wird, kann eine effiziente
Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 2 ferner durch die
Steuereinheit 9 selbst dann, wenn die oben angegebene Bestimmung
des Wasserhaushalts und des Feuchtezustands nicht bei jedem Betrieb
der Brennstoffzelle 2 durchgeführt wird, auf Basis
der Datentabelle vorgenommen werden. Des Weiteren wird, wenn eine
solche Datentabelle verwendet wird, auch eine effiziente und einfache
Betriebssteuerung anderer Brennstoffzellen der gleichen oder einer
anderen Art als die Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
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Daneben
ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt und kann in verschiedenen Formen ausgeführt
werden, ohne von dem eigentlichen Inhalt und Umfang derselben abzuweichen.
Zum Beispiel können ein Strömungsmesser und ein
Hygrometer in den Ableitungsrohren 12 und 23 vorgesehen
sein und der Ausströmdurchsatz der Luft und des Wasserstoffgases
kann auf Basis der tatsächlichen Messwerte durch den Strömungsmesser
und dem Hygrometer und dem aktuellen Messwert für den Druck
berechnet werden. Statt der Hygrometer H10 und H20 kann zudem ein
Taupunktmessgerät zum Messen der Menge an Wasser in der
Luft und dem Wasserstoffgas vorgesehen sein. Es ist des Weiteren
bevorzugt, den Wasserhaushalt, über den die als flüssiger
Bestandteil ausströmende Menge an Wasser betrachtet wird,
in sowohl dem Luftzuleitungssystem 3 als auch dem Wasserstoffgaszuführsystem 4 zu
bestimmen. Eine solche Bestimmung kann jedoch nur in entweder dem
Luftzuleitungssystem 3 oder dem Wasserstoffgaszuleitungssystem 4 durchgeführt
werden. In diesem Fall ist bevorzugt, eine solche Bestimmung in
dem Luftzuführsystem 3 auszuführen, in
dem das Fluten durch das gebildete Wasser relativ dazu geneigt ist,
einzutreten.
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Des
Weiteren kann keine Befeuchtungseinrichtung 15 vorgesehen
sein. In diesem Fall wird das Brennstoffzellensystem 1 zu
einem System, das die Luft nicht befeuchtet. Dann nimmt die Menge
an Wasser, die in der in das System strömenden Luft enthalten
ist, im Vergleich zu dem Fall, indem die Luft befeuchtet wird, ab.
Wenn die durch die Luft in die Brennstoffzelle 2 pro Zeiteinheit
eingetragene Menge W (Lufteingang) an Wasser eine im Vergleich mit
zum Beispiel der in der Brennstoffzelle 2 gebildeten Menge
Wg an Wasser vernachlässigbare Menge ist, kann in diesem
Fall der Wasserhaushalt berechnet werden, wobei die Wassermenge
W (Lufteingang) als im Wesentlichen gleich Null angenommen wird.
Wenn die durch das Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 2 pro
Zeiteinheit getragene Menge W (Wasserstoffeingang) an Wasser eine
im Vergleich mit zum Beispiel der in der Brennstoffzelle 2 gebildeten
Menge Wg an Wasser vernachlässigbare Menge ist, kann der
Wasserhaushalt natürlich in ähnlicher Weise berechnet werden,
wobei die Wassermenge W (Wasserstoffeingang) im Wesentlichen als
gleich Null angenommen wird.
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Wenn
die Menge an Wasser, das anderes Wasser ist als das als flüssiger
Bestandteil abgeführte Wasser, von der Menge an einströmendem
Wasser, der Menge an abgeführtem Wasser (der als gasförmiger
Bestandteil abgeführten Menge an Wasser und der als flüssiger
Bestandteil abgeführten Menge an Wasser) und der Menge
an gebildetem Wasser, so ist, dass sie keinen Einfluss auf den Wasserhaushalt
hat, kann die Berechnung daher, wie bei der Berechnung des Wasserhaushalt
in der Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustands in der Erfindung durch
die Annahme, dass die obige Wassermenge im Wesentlichen gleich Null
ist (durch Berechnen der Menge als Null) vereinfacht werden. Eine
Einheit, die eine solche Berechnung des Wasserhaushalts durchführt,
ist in der „Einheit zur Bestimmung des Feuchtezustsnds"
in der Erfindung eingeschlossen.
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Daneben
kann das Brennstoffzellensystem 1 der Erfindung zum Beispiel
auch in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit der Brennstoffzelle 2 in
stationären Anwendungen enthalten sein und das Kraft-Wärme-Kopplungssystem
kann auch nicht nur für Betriebe, sondern auch für
Haushalte eingebaut werden und ebenso auf beweglichen Körpern,
wie Kraftfahrzeugen und tragbaren Vorrichtungen, aufgebaut sein.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Gemäß dem
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann
die Menge an Wasser in einer Brennstoffzelle genauer erfasst werden
und dadurch kann der Feuchtezustand in der Brennstoffzelle genauer
und präziser bestimmt werden. Das Brennstoffzellensystem
kann daher weithin in Anlagen, wie Kraft-Wärme-Kopplungssystemen
für Betriebe und Haushalte unter Verwenden der Brennstoffzellen
in stationären Anwendungen sowie aufgebaut auf beweglichen
Körpern, wie Kraftfahrzeugen und tragbaren Vorrichtungen,
eingesetzt werden.
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Die
Vorrichtung zur Steuerung der Bildung der Erfindung kann ferner
einfach eine effiziente Betriebssteuerung einer Brennstoffzelle,
unter Verwenden einer Datentabelle, in der die als Betriebsergebnisse
des Brennstoffzellensystems der Erfindung erhaltene Bildungsmenge
mit den optimalen Mengen für die Zufuhr an Brenngas und
gas förmigem Oxidationsmittel in Zusammenhang steht, durchführen. Ähnlich
wie oben kann das Brennstoffzellensystem daher weithin in Anlagen,
wie Kraft-Wärme-Kopplungssystemen für Betriebe
und Haushalte unter Verwenden der Brennstoffzellen in stationären
Anwendungen sowie aufgebaut auf beweglichen Körpern, wie
Kraftfahrzeugen und tragbaren Vorrichtungen, eingesetzt werden.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem und Vorrichtung
zum Steuern der Stromerzeugung
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Brennstoffzellensystem,
das dazu in der Lage ist, den Feuchtezustand in einer Brennstoffzelle genau
und präzise zu bestimmen. Das Brennstoffzellensystem schließt
eine Brennstoffzelle vom Festpolymerelektrolyt-Typ mit einer Stapelstruktur
ein. Die Brennstoffzelle ist mit einem Luftzufuhrsystem, einem Wasserstoffgaszufuhrsystem,
einem Ausgabesystem und einer Steuereinheit verbunden. Die Steuereinheit
empfängt die Durchsätze der in die Brennstoffzelle
strömenden Luft und des Wasserstoffgases, ihre Drücke
beim Ausströmen und ein Messsignal für einen erzeugten
Strom. Die Steuereinheit berechnet die aus der Brennstoffzelle als
gasförmiger Bestandteil und als flüssiger Bestandteil
abgeführten Mengen an Wasser und bestimmt den Wasserhaushalt
in der Brennstoffzelle.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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