DE112007000575T5

DE112007000575T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007000575T5
Application number: DE112007000575T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Toyota-shi Ogawa; Yasushi Toyota-shi Araki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2009-02-26
Also published as: US20090092870A1; CA2634927A1; JPWO2007119621A1; CN101390239B; CN101390239A; CA2634927C; WO2007119621A1

Abstract

Brennstoffzellensystem umfassend:
eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, eine auf der Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Anode und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Kathode und welcher ein Brenngas bei der Anode und ein Oxidationsgas bei der Kathode zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft zugeführt wird; und
ein Drucksteuermittel, das den Druck des Brenngases steuert,
wobei das Brennstoffzellensystem einen geschlossenen Modus aufweist, bei dem die Brennstoffzelle in einem Zustand betrieben wird, in dem der Kanal für das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brennabgas geschlossen ist, und
das Drucksteuermittel den Druck des Brenngases auf P₁ ab der Inbetriebnahme in dem geschlossenen Modus festsetzt bis eine Zeit t₁ verstreicht und den Druck des Brenngases auf P₂ (P₁ < P₂) festsetzt, nachdem die Zeit t₁ verstrichen ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf, die mit einer dazwischen eingefügten Elektrolytmembran angeordnet sind. Wenn den Elektroden ein Reaktionsgas zugeführt wird, tritt zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft eine elektrochemische Reaktion zwischen den Elektroden auf. Insbesondere tritt die Reaktion auf, wenn Wasserstoff (Brenngas) in Kontakt mit der Anode kommt und Sauerstoff (Oxidationsgas) in Kontakt mit der Kathode kommt.
Im Allgemeinen wird der Anode Wasserstoff aus einem Hochdruck-Wasserstoffbehälter zugeführt. Andererseits wird der Kathode Luft, die aus der Atmosphäre mit einem Kompressor bezogen wird, zugeführt. Um die Strom- und Wasserstoffnutzung der Brennstoffzelle zu verbessern, wird das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brennabgas der Brennstoffzelle wieder zugeführt.
Dennoch besteht ein Problem: wenn die Pumpe zum Rückführen des Brennabgases aus der Brennstoffzelle versagt, kann der Wasserstoff der Anode nicht zugeführt werden und daher ist es schwierig den Betrieb der Brennstoffzelle fortzusetzen.
Um das Problem zu vermeiden wurde ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das die Rückführleitung für das Brennabgas, zum Begrenzen des Brennabgases in der geschlossenen Leitung, schließt, wenn ein Versagen der Pumpe entdeckt wird (siehe Patentdokument 1). In dem Brennstoffzellensystem wird der Modus des Zuführens von Wasserstoff zu der Anode zwischen dem Umlaufmodus zu dem sogenannten „Dead- end"-Modus umgeschaltet. Daher wird der Anode eine Wasserstoffmenge zugeführt, die gleich der verbrauchten Wasserstoffmenge der Anode ist, so dass die Brennstoffzelle den Betrieb fortsetzen kann, selbst wenn die Pumpe versagt.

Patentdokument 1: Offengelegtes japanisches Patent Nr. 2005-32652
Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-77506

Offenbarung der Erfindung
Zu lösendes Problem der Erfindung
Im „Dead-end"-Modus wird die Stromerzeugung in einem Zustand durchgeführt, in dem der stromabwärtige Teil des Wasserstoffkanals auf der Anodenseite geschlossen ist (so ein Zustand wird nachfolgend ebenso als geschlossener Modus bezeichnet).
Gemäß dem Patentdokument 1 mehren sich im „Dead-end"-Modus andere Materialien als Wasserstoff am Auslass des Wasserstoffkanals, so dass der Wasserstoffpartialdruck abnimmt und die Spannung der Brennstoffzelle sinkt. Um dies zu vermeiden, wird die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle verändert oder das Brennstoffzellensystem wird auf eine veränderliche Weise gesteuert, so dass der Strom im Betrieb begrenzt ist.
Insbesondere wird die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle so festgelegt, dass der Betriebsdruck der Brennstoffzelle höher ist als der beim Betrieb im Umlaufmodus, und entsprechend wird der Betrieb des Mittels zum Zuführen der Reaktionsgase zu der Anode und der Kathode gesteuert. Als Ergebnis wird der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs erhöht und daher kann der Wasserstoffdruck bei einem hohen Grad aufrechterhalten werden, selbst wenn die Anteile von anderen Materialien als Wasserstoff ansteigen.
Als Ergebnis wird, selbst wenn die Anteile an anderen Materialien als Wasserstoff (Verunreinigungsmaterialien) in dem Wasserstoffkanal ansteigen, eine Abnahme der Spannung unterdrückt und die Stromerzeugung im „Dead-end"-Modus kann fortgesetzt werden.
Dennoch bleibt das Problem bestehen, dass, wenn der Druck des Wasserstoffs ansteigt, die Menge an Wasserstoff, die durch die Elektrolytmembran zu der Kathodenseite permeiert ansteigt und deshalb die Wasserstoffnutzung sinkt. Es ist erforderlich, dass die Stromerzeugungseffizienz in dem „Dead-end"-Modus verbessert wird, nicht nur durch, wie oben beschrieben, Verhindern der Abnahme der Spannung, sondern ebenso durch Befassen mit der Abnahme der Wasserstoffnutzung.
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich solcher Probleme erdacht. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vom „Dead-end"-Typ bereit, das im Stande ist Strom mit hoher Effizienz zu erzeugen.
Andere Gegenstände und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Mittel zum Lösen des Problems
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst:
eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, eine auf der Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Anode und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Kathode und welcher ein Brenngas bei der Anode und
ein Oxidationsgas bei der Kathode zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft zugeführt wird; und ein Drucksteuermittel, das den Druck des Brenngases steuert, in welchem das Brennstoffzellensystem einen geschlossenen Modus aufweist, bei dem die Brennstoffzelle in einem Zustand betrieben wird, in dem der Kanal für das auf der Brennstoffzelle abgeführte Brenngas geschlossen ist und
das Drucksteuermittel den Druck des Brenngases auf P₁ ab der Inbetriebnahme in dem geschlossenen Modus festsetzt bis eine Zeit t₁ verstreicht und dem Druck des Brenngases auf P₂ (P₁ < P₂) festsetzt, nachdem die Zeit t₁ verstrichen ist.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst ferner:
ein Spülmittel, das den Kanal zum Spülen desselben für das Brennabgas öffnet, und,
wenn das Spülmittel das Spülen durchführt, kann bestimmt werden, dass der geschlossene Modus unmittelbar nach dem Spülen beginnt.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann das Drucksteuermittel den Druck P₂ schrittweise erhöhen.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann das Drucksteuermittel den Druck P₂ kontinuierlich erhöhen.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird, vorausgesetzt, dass die Summe des durch die Brennstoffzelle erzeugten gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ als X₁ bezeichnet wird, und die Summe des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ als X₂ bezeichnet wird, die Beziehung
X₂ < X₁
bevorzugt erfüllt, nachdem die Zeit t₁ verstrichen ist.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der Druck P₁ ein Druck, der es einer für die Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom benötigten Mindestmenge an Brenngas ermöglicht der Anode zugeführt zu werden und die Zeit t₁ kann einer Zeitkoordinate in einem Graph entsprechen, dessen Koordinatenachsen die Zeit und der durch die Brennstoffzelle erzeugte gesamte Stromverlust sind, bei dem sich eine erste Kurve, welche die Summe der Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und eine Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ ist, zeigt, und eine zweite Kurve, welche die Summe der Veränderung des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und eine Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ ist, zeigt, schneiden.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann, wenn eine Zeit t₂ (t₁ < t₂) verstreicht, der Druck des Brenngases auf P₃ (P₂ < P₃) festgesetzt werden und der Kanal für das Brennabgas kann zum Durchführen des Spülens geöffnet werden. In diesem Fall ist der Druck P₃ bevorzugt ein Druck, der hoch genug ist, um ein in dem Kanal für das Brennabgas angesammeltes verunreinigtes Gas entsprechend abzuführen.
Wirkungen der Erfindung
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann Strom mit hoher Effizienz erzeugen, da der Druck des Brenngases auf P₁ vom Beginn des geschlossenen Modus bis zu der Zeit t₁ festgesetzt wird und der Druck des Brenngases auf P₂ verändert wird (P₁ < P₂), wenn die Zeit t₁ verstrichen ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Zelle, die eine Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform 1 ausbildet;
3 ist ein Graph, der zeitliche Veränderungen in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung in der Ausführungsform 1 zeigt;
4 ist ein Graph, der zeitliche Veränderungen in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Wasserstoffs in der Ausführungsform 1 zeigt;
5 ist ein Graph, der zeitliche Veränderungen in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung und Permeation von Wasserstoff in der Ausführungsform 1 zeigt;
6(a) ist ein Graph, der ein Beispiel der Weise der Veränderung mit der Zeit des der Anode in der Ausführungsform 1 zugeführten Wasserstoffdrucks zeigt;
6(b) ist ein Graph, der die zeitliche Veränderung der Spannung der Brennstoffzelle in dem in 6(a) gezeigten Fall zeigt;
7 ist ein Graph, der ein anderes Beispiel der Weise der Veränderung mit der Zeit des der Anode in der Ausführungsform 1 zugeführten Wasserstoffdrucks zeigt;
8 ist ein Graph, der ein anderes Beispiel der Weise der Veränderung mit der Zeit des der Anode in der Ausführungsform 1 zugeführten Wasserstoffdrucks zeigt; und
9 ist ein Graph, der eine zeitliche Veränderung in der Spannung der Brennstoffzelle in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem zeigt;
Beste Art die Erfindung auszuführen
Ausführungsform 1
1 ist ein schematisches Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem entsprechend der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Es ist anzumerken, dass das Brennstoffzellensystem verschiedene Anwendungen hat, wie der Typ auf einem Fahrzeug und der stationäre Typ.
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, der Wasserstoff als Brenngas und Luft als Oxidationsgas zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft zugeführt wird, einen Kompressor 3, der der Brennstoffzelle 2 verdichtete Luft zugeführt hat, einen Befeuchter 4, der Feuchtigkeit aus dem von der Brennstoffzelle 2 abgeführten Oxidationsabgas sammelt und die der Brennstoffzelle 2 zugeführte Luft befeuchtet, ein Luftdruckregelventil 5, das den Druck der der Brennstoffzelle 2 von dem Kompressor 3 zugeführten Luft reguliert, einen Wasserstoffbehälter 6, der trockenen Wasserstoff bei hohem Druck lagert, ein Wasserstoffdruck-Regelventil 7, das den Druck des der Brennstoffzelle 2 von dem Wasserstoffbehälter 6 zugeführten Wasserstoff reguliert, ein Spülventil 8, das den Kanal 10 für das Brennabgas öffnet und schließt und ein Drucksteuermittel 9, das den Druck des Wasserstoffs steuert, indem es das Öffnen des Wasserstoffdruckregelventils 7 verändert. Das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführte Brennabgas kann durch Öffnen des Spülventils 8 gespült werden.
In dem Brennstoffzellensystem 1 wird der Anode (nicht gezeigt) Wasserstoff in dem „Dead-end"-Modus zugeführt. Das heißt, wenn das Spülventil 8 geschlossen ist, ist der Kanal für das Brennabgas geschlossen und Wasserstoff wird nur aus dem Wasserstoffbehälter 6 zugeführt. In dem „Dead-end"-Modus wird der zugeführte Wasserstoff vollständig in der Reaktion in der Brennstoffzelle 2 verbraucht. Dann wird der Anode nur die Menge an Wasserstoff, die gleich der Menge an verbrauchtem Wasserstoff ist, zugeführt.
Die Brennstoffzelle 2 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt und eine alkalische Brennstoffzelle kann z. B. ebenso verwendet werden.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer die Brennstoffzelle 2 bildenden Zelle. Wie in dieser Figur gezeigt, umfasst eine Zelle 11 einen Stapel einer Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit (MEGA) 12 und Separatoren 13, 14, in denen ein Kanal für das Reaktionsgas ausgebildet wird. Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Einheit 12 umfasst die Elektrolytmembran 15 eines festen Polymers, eine durch eine katalytische Schicht, welche auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 15 gebildet ist, gebildete Anode 16, eine durch eine katalytische Schicht, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 15 gebildet ist, gebildete Kathode 17 und entsprechend auf der Anoden- und der Kathodenseite ausgebildete Gasdiffusionsschichten 18 und 19. Die Separatoren 13 und 14 sind an der Anode 16 und der Kathode 17, mit den Gasdiffusionsschichten 18 und 19, die entsprechend dazwischen eingefügt sind, angeordnet.
Wenn der Anode 16 Wasserstoff zugeführt wird, tritt die Reaktion: H₂ → 2H⁺ + 2e^– auf, und H⁺ wird erzeugt. Das H⁺ bewegt sich zur Kathodenseite durch die Elektrolytmembran 15 und reagiert mit dem der Kathode 17, wie unten beschrieben, zugeführten Sauerstoff. (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O
Das heißt, die elektrochemische Reaktion: H₂ + (1/2)O₂ → H₂O tritt zwischen den Elektroden zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft auf. Bei diesem Vorgang wird Wasser auf der Kathodenseite erzeugt. Das erzeugte Wasser permeiert durch die Elektrolytmembran 15 und wird ebenso auf der Anodenseite angesammelt.
Die der Kathode 17 zugeführte Luft enthält ebenso Stickstoff. Der Stickstoff permeiert ebenso durch die Elektrolytmembran 15 und wird auf der Anodenseite angesammelt.
Daher wird während des Betriebs der Brennstoffzelle 2 Wasser und Stickstoff in dem Kanal 10 auf der Anodenseite in 1 angesammelt. Als Ergebnis sinkt der Wasserstoffpartialdruck und die Spannung der Brennstoffzelle 2 sinkt.
Entsprechend dieser Ausführungsform wird, um die Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle 2 zu unterdrücken, wenn eine vorherbestimmte Zeit ab der Inbetriebnahme verstrichen ist, der Druck des der Anode 16 zugeführten Wasserstoffs erhöht. Dennoch steigt, wenn der Wasserstoffdruck erhöht wird, die Menge an Wasserstoff, die durch die Elektrolytmembran 15 permeiert und daher sinkt die Nutzung des Wasserstoffs. Daher ist es bevorzugt, dass der Druck des der Anode 16 zugeführten Wasserstoffs und die zeitliche Regulierung des Anstiegs des Wasserstoffdrucks unter Berücksichtigung von sowohl der Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle 2, als auch der Abnahme der Wasserstoffnutzung bestimmt werden.
3 ist ein Graph der schematisch die zeitliche Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle zeigt.
Faktoren, die die Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle vom „Dead-end"-Typ beeinflussen schließen die Menge der Permeation von Wasser und Stickstoff von der Kathode, die Fläche der Elektrolytmembran, die Anzahl der den Brennstoffzellenstapel bildenden Zellen, und die Eigenschaften des Gaskanals ein. Die Menge an Permeation von Wasser und Stickstoff von der Kathode verändert sich mit den Eigenschaften der Elektrolytmembran und der Gasdiffusionsschicht. Die Eigenschaften des Gaskanals beeinflussen die Diffusion des durch den Kanal strömenden Gases.
Zum Beispiel wurde ein Brennstoffzellensystem vom „Dead-end"-Typ, das einen Stapel von Zellen mit einer festen Polymerelektrolytmembran auf Fluorbasis mit einer Dicke von 45 μm aufweist, hergestellt von W. L. Gore and Associates, Inc., für eine Minute unter der Bedingung betrieben, dass der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs auf 125 kPa festgelegt wurde. Dann betrug der Stromverlust 2,50 mW/cm² × Zelle. Wenn dasselbe Brennstoffzellensystem für eine Minute unter der Bedingung betrieben wurde, dass der Druck des Wasserstoffs auf 150 kPa festgelegt wurde, betrug der Stromverlust 1,39 mW/cm² × Zelle.
In 3 bezeichnet die Abszisse die Zeit (Minute) und die Ordinate den gesamten Stromverlust (W·Minute) aufgrund der Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle. Da die Menge an angesammeltem Wasser und Stickstoff in dem Kanal mit der Zeit ansteigt, steigt die Abnahme der Spannung mit der Zeit an. Wenn der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs gering ist, steigt die Abnahme der Spannung weiter an. Daher, wie in 3 gezeigt, je geringer der Stickstoffdruck, desto stärker steigt der Stromverlust mit der Zeit an und desto höher wird der gesamte Stromverlust.
4 ist ein Graph, der schematisch zeitliche Veränderungen in dem gesamten Stromverlust aufgrund der Permeation von Wasserstoff durch die Elektrolytmembran zeigt.
Unter der Bedingung, dass der Wasserstoffdruck konstant gehalten wird, wird die Menge an Stickstoff, der durch die Elektrolytmembran permeiert, durch die Eigenschaften der Elektrolytmembran, der Fläche der Elektrolytmembran und die Anzahl der den Brennstoffzellenstapel bildenden Zellen bestimmt. Zum Beispiel beträgt, in dem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem vom „Dead-end"-Typ, das einen Stapel von Zellen mit einer festen Polymerelektrolytmembran auf Fluorbasis mit einer Dicke von 45 μm aufweist, hergestellt von W. L. Gore and Associates, Inc., unter der Bedingung betrieben wird, dass der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs auf 120 kPa festgelegt wird, dann der Stromverlust pro Zeiteinheit 1,94 mW/cm² × Zelle.
In 4 bezeichnet die Abszisse die Zeit (Minute) und die Ordinate den gesamten Stromverlust (W·Minute) aufgrund der Permeation des Wasserstoffs durch die Elektrolytmembran. Wenn der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs steigt, steigt die Menge an Permeation von Wasserstoff und daher steigt der Stromverlust pro Zeiteinheit ebenso. Daher, wie in 4 gezeigt, steigt, wenn der Wasserstoffdruck steigt, der gesamte Stromverlust.
In dieser Ausführungsform werden der der Anode zugeführte Wasserstoff und die zeitliche Regulierung des Ansteigens des Drucks unter Berücksichtigung beider 3 und 4 bestimmt.
5 ist ein Graph, der die zeitliche Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund der Abnahme der Spannung und der Permeation von Wasserstoff zeigt. Eine erste Kurve (A) zeigt die Summe der Veränderungen in dem Fall, in dem der Wasserstoffdruck P₁ ist, wie in 3 und 4 gezeigt. Eine zweite Kurve (B) zeigt die Summe der Veränderungen in dem Fall, in dem der Wasserstoffdruck P₂ ist, wie in 3 und 4 gezeigt. Bis zu einer Zeit t₁ ist der gesamte Stromverlust, wie er durch die Kurve (A) gezeigt wird, geringer als die Kurve (B). Dennoch ist es ab der Zeit t₁ offensichtlich, dass der durch die Kurve (B) gezeigte gesamte Stromverlust geringer ist als die Kurve (A).
Daher wird in dieser Ausführungsform der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs auf P₁ zu einer Zeit t₀ festgesetzt und dann wird der Druck des Wasserstoffs auf P₂ (P₁ < P₂) zu der Zeit t₁ verändert. Vorausgesetzt, dass die Summe des gesamten Stromverlusts aufgrund der Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation von Wasserstoff durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ als X₁ bezeichnet wird, und die Summe des gesamten Stromverlusts aufgrund der Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation von Wasserstoff durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ als X₂ bezeichnet wird, wird, wenn die Zeit t₁ verstrichen ist, der Druck bevorzugt so verändert, dass die folgende Beziehung erfüllt ist.
X₂ < X₁
In dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1, arbeitet die Brennstoffzelle 2 mit dem geschlossenen Spülventil 8. Wenn eine vorherbestimmte Zeit ab der Inbetriebnahme verstrichen ist, wird das Spülventil 8 zum Durchführen des Spülens geöffnet. Die oben beschriebene Zeit t₀ ist ein Zeitpunkt unmittelbar nachdem das Spülen durchgeführt wird. Das Spülen wird durchgeführt, wenn die Brennstoffzelle 2 aktiviert ist, so dass die Zeit t₀ die Zeit der Aktivierung der Brennstoffzelle 2 sein kann.
6(a) zeigt die zeitliche Veränderung des Drucks des der Anode in dieser Ausführungsform zugeführten Wasserstoffs. 6(b) zeigt eine Veränderung der Spannung der Brennstoffzelle, wenn sich der Wasserstoffdruck, wie in 6(a) gezeigt, verändert.
Wie in 6(a) gezeigt, wird der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs auf P₁ ausgehend von der Zeit t₀ bis zu der Zeit t₁ festgesetzt. Der Druck P₁ muss höher als der Druckabfall in dem Kanal sein, durch den der Wasserstoff strömt, und ermöglicht bevorzugt nur einer für die Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom benötigten Mindestmenge an Wasserstoff der Anode zugeführt zu werden. Mit so einem Druck kann die Menge an Wasserstoff, der durch die Elektrolytmembran zu der Kathodenseite permeiert, minimiert werden.
Bezugnehmend auf 6(a), wird zu der Zeit t₁ der Wasserstoffdruck von P₁ auf P₂ (P₁ < P₂) verändert. Wie in 6(b) gezeigt, sinkt die Spannung der Brennstoffzelle mit der Zeit. Dennoch kann die Abnahme der Spannung durch Erhöhen des Drucks des der Anode zuzuführenden Wasserstoffs verringert werden.
Durch Verändern des Drucks des der Anode zugeführten Wasserstoffs von P₁ auf P₂ auf diese Weise kann die Brennstoffzelle betrieben werden, während der gesamte Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung und von Permeation von Wasserstoff vermindert wird. In dem in 1 gezeigten Beispiel kann der Wasserstoffdruck durch Verändern des Öffnens des Wasserstoffdruck-Regelventils 7 unter der Steuerung des Drucksteuermittels 9 verändert werden.
Wenn die Brennstoffzelle mit dem auf P₂ gehaltenen Wasserstoffdruck betrieben wird, steigt die Menge an in dem Gaskanal auf der Anodenseite gesammeltem Wasser und Stickstoff an. Daher wird das Spülen zu einem geeigneten Zeitpunkt durchgeführt. Das Wasser, der Stickstoff und dergleichen, die in dem Gaskanal auf der Anodenseite angesammelt sind, können durch Spülen abgeführt werden.
Entsprechend der in dem Patentdokument 1 offenbarten Technik, wird das Spülventil für eine vorherbestimmte Zeit geöffnet, wenn bestimmt wird, dass Spülen notwendig ist. Durch dieses Vorgang können in dem Gaskanal gesammeltes Wasser und andere Bestandteile als Wasserstoff abgeführt werden und die Wirkung dieser Bestandteile kann, zum Verhindern eines Verschlechterns der Eigenschaften der Brennstoffzelle, vermindert werden.
Dennoch besteht das Problem, dass, wenn Wasserstoff ebenso durch Spülen abgeführt wird, die Wasserstoffnutzung sinkt. Zusätzlich besteht das Problem, dass, wenn Wasser und Stickstoff nicht bei jedem Spülen entsprechend abgeführt werden, der Wasserstoffpartialdruck schneller abnimmt, die Spannung der Brennstoffzelle ebenso schneller abnimmt und als Ergebnis die Intervalle des Spülens allmählich kürzer werden.
9 ist ein Graph, der die zeitliche Veränderung der Spannung der Brennstoffzelle in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem zeigt. Wenn der Wasserstoffdruck nicht ausreichend ist wenn das Spülen durchgeführt wird, verbleiben Wasser und Stickstoff in dem Gaskanal, was eine schnellere Abnahme im Wasserstoffpartialdruck hervorruft. Daher wird, wie in 9 gezeigt, die Abnahme der Spannung mit der Zeit schneller. Daher muss, selbst wenn das Spülen durchgeführt wird wenn eine Zeit t₁ ausgehend von einer Zeit t₀ verstrichen ist, das nächste Spülen durchgeführt werden, wenn eine Zeit t₂ (T₁ > T₂) ausgehend von der Zeit t₁ verstrichen ist und das nächste Spülen muss durchgeführt werden, wenn eine Zeit t₃ (T₂ > T₃) ausgehend von der Zeit t₂ verstrichen ist. Auf diese Weise werden, wenn der Wasserstoffdruck nicht ausreichend ist wenn das Spülen durchgeführt wird, die Intervalle des Spülens allmählich kürzer.
Daher wird in der Ausführungsform 1 das oben beschriebene Problem mit dem Spülen wie unten beschrieben gelöst.
Insbesondere wird in 6, zu einer Zeit t₂, der Wasserstoffdruck auf P₃ verändert und das Spülventil 8 geöffnet. Der Druck P₃ ist höher als der Druck P₂ und ist ausreichend, um Wasser und Verunreinigungsgas wie Stickstoff abzuführen. Der Wert des Drucks P₃ kann ohne Berücksichtigung des gesamten Stromverlusts aufgrund der Abnahme der Spannung und von Permeation von Wasserstoff bestimmt werden. Wenn der Druck P₃ auf diese Art bestimmt wird, steigt der Wasserstoffdruck zu der Zeit des Spülens, so dass die Wasserstoffnutzung sinkt und die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zeitweilig sinkt. Dennoch wird insgesamt die Stromerzeugungseffizienz verbessert, weil die Effizienz des Abführens von Wasser und Stickstoff steigt.
Durch Durchführen des Spülens bei dem Druck P₃ können Wasser und Stickstoff entsprechend aus dem Gaskanal auf der Anodenseite abgeführt werden. Daher ist es möglich zu verhindern, dass Wasser und Stickstoff in dem Gaskanal verbleiben und bewirken, dass der Wasserstoffpartialdruck schneller sinkt. Mit anderen Worten ist es möglich zu verhindern, dass die Spannung der Brennstoffzelle schneller abnimmt. Daher ist es möglich zu verhindern, dass die Intervalle des Spülens kürzer werden.
Die Zeit t₂ ist eine Zeit, bei der die Konzentrationen von in dem Kanal 10 angesammeltem Wasser und Stickstoff einen vorherbestimmten Wert erreichen. Die Konzentrationen von Wasser und Stickstoff können aus den Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle errechnet werden.
Das Spülen ist notwendig, wenn die Konzentrationen von Wasser und Stickstoff ansteigen und, als ein Ergebnis, die Spannung der Brennstoffzelle auf einen vorherbestimmten Wert sinkt. Daher kann die „Zeit, zu der die in dem Kanal 10 angesammelten Konzentrationen von Wasser und Stickstoff einen vorherbestimmten Wert erreichen" ebenso als „Zeit, zu der die Spannung der Brennstoffzelle 2 auf einen vorherbestimmten Wert sinkt", ausgedrückt werden. In dem in 6(b) gezeigten Beispiel ist die Zeit die Zeit t₂, bei der die von v₀ sinkende Spannung v₁ erreicht.
Das Spülventil 8 wird geschlossen, wenn eine ausreichende Zeit zum Abführen von Wasser und Stickstoff aus dem Kanal 10 verstrichen ist. Dann wird das Brennstoffzellensystem 1 mit dem geschlossenen Kanal für das Brennabgas betrieben. Die Spannung der Brennstoffzelle 2 wird auf v₀ zurückgesetzt, was der anfänglich festgesetzte Wert der Spannung oder ein Wert nahe diesem Wert ist.
Danach wird der Druck des der Anode zugeführten Wasserstoffs zurück auf P₁ verändert und der oben beschriebene Vorgang wird wiederholt, wobei die Zeit des Veränderns des Wasserstoffdrucks als t₀ bezeichnet wird.
Wie oben beschrieben wird in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform, vorausgesetzt, dass die Zeit t₀ ein Zeitpunkt unmittelbar nach dem Spülen ist, der Druck des Brenngases auf P₁ ausgehend von der Zeit t₀ bis zu der Zeit t₁ festgesetzt und der Druck des Brenngases wird nach der Zeit t₁ auf P₂ verändert, was höher als P₁ ist. Daher kann die Brennstoffzelle betrieben werden, während der gesamte Stromverlust der Brennstoffzelle vermindert wird, welcher aus der durch die Elektrolytmembran permeierenden Menge des Wasserstoffs und aus der mit einem Spannungsmessmittel gemessenen Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle bestimmt wird. Daher erzeugt das Brennstoffzellensystem Strom mit hoher Effizienz.
In dieser Ausführungsform wird, vorausgesetzt, dass die Summe des durch die Brennstoffzelle erzeugten gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ als X₁ bezeichnet wird, und die Summe des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ als X₂ bezeichnet wird, nachdem die Zeit t₁ verstreicht, die folgende Beziehung vorzugsweise erfüllt:
X₂ < X₁
Zusätzlich entspricht in dieser Ausführungsform, in dem Fall, in dem der Druck P₁ ein Druck ist, der als einer für die Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom benötigten Mindestmenge an Brenngas ermöglicht, der Anode zugeführt zu werden, die Zeit t₁ einer Zeitkoordinate, bei der sich eine erste Kurve, welche die Summe der Veränderungen in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und eine Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ ist, und eine zweite Kurve, welche die Summe der Veränderungen des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und die Veränderung des gesamten Stromverlusts aufgrund von Permeation des Brenngases durch Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ ist, in dem Graph, der in dem Koordinatensystem gezeigt wird, dessen Koordinatenachsen die Zeit und den gesamten Verlust des von der Brennstoffzelle erzeugten Stroms angeben, schneiden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf jede oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Veränderungen sind möglich ohne vom Sinn der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel kann das Drucksteuermittel zum Steuern des Wasserstoffdrucks den Wasserstoffdruck schrittweise in der Zeitdauer von der Zeit t₁ bis zu der Zeit t₂, wie in 6(a) gezeigt, steigern. Dennoch kann das Drucksteuermittel den Wasserstoffdruck ebenso kontinuierlich erhöhen.
In dem in 6(a) gezeigten oben beschriebenen Beispiel wird der Wasserstoffdruck in zwei Schritten von P₁ auf P₂ und dann von P₂ auf P₃ verändert. Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel wird der Wasserstoffdruck, bevor das Spülen durchgeführt wird, nicht notwendigerweise in einem Schritt von P₁ auf P₂ verändert und kann in einer Vielzahl von Schritten, wie in zwei und in drei Schritten, verändert werden. Alternativ kann der Wasserstoffdruck auf eine kontinuierliche Weise, eher als auf eine diskontinuierliche Weise, verändert werden.
7 zeigt ein Beispiel, in dem der Wasserstoffdruck in zwei Schritten vor dem Spülen verändert wird. In diesem Beispiel, wird, vorausgesetzt, dass die Zeit t₀ ein Zeitpunkt unmittelbar nach dem Spülen ist, der der Anode zugeführte Wasserstoffdruck auf P₁ ausgehend von der Zeit t₀ bis zu einer Zeit t₁ festgesetzt. Dann wird, zu der Zeit t₁, der Wasserstoffdruck von P₁ auf P₂ (P₁ < P₂) verändert. Darüber hinaus wird, zu einer Zeit t₂, der Wasserstoffdruck von P₂ auf P₃ (P₂ < P₃) verändert. Dann wird, zu einer Zeit t₃, der Wasserstoffdruck auf P₄ verändert und das Spülventil wird zum Ausführen des Spülens geöffnet. Der Druck P₄ ist höher als der Druck P₃ und ist ausreichend hoch, um Wasser und Stickstoff abzuführen. Wenn eine Zeit, die ausreichend zum Abführen von Wasser und Stickstoff ist, verstreicht wird das Spülventil geschlossen. Danach wird der Wasserstoffdruck wieder auf P₁ gesetzt und der oben beschriebene Vorgang wiederholt.
8 zeigt ein Beispiel, in dem der Wasserstoffdruck kontinuierlich verändert wird, bevor das Spülen durchgeführt wird. In diesem Beispiel wird, vorausgesetzt, dass die Zeit t₀ ein Zeitpunkt unmittelbar nach dem Spülen ist, der Druck des der Anode zugeführte Wasserstoffs auf P₁ ausgehend von einer Zeit t₀ bis zu einer Zeit t₁ gesetzt. Dann wird ausgehend von der Zeit t₁ bis zu einer Zeit t₂ der Wasserstoffdruck linear von P₁ zu P₂ erhöht. Dann wird, zu einer Zeit t₂, der Wasserstoffdruck von P₂ auf P₃ verändert und das Spülventil wird zum Durchführen des Spülens geöffnet. Der Druck P₃ ist höher als der Druck P₂ und ist ausreichend hoch, um Wasser und Stickstoff abzuführen. Wenn eine Zeit, die zum Abführen von Wasser und Stickstoff ausreichend ist, verstreicht wird das Spülventil geschlossen. Danach wird der Wasserstoffdruck wieder auf P₁ gesetzt und der oben beschriebene Vorgang wiederholt.
Wie oben beschrieben kann, wenn die Anzahl der Veränderungen des Wasserstoffdrucks verändert wird oder der Wasserstoffdruck kontinuierlich verändert wird, das Brennstoffzellensystem betrieben werden, während der Wasserstoffdruck präziser gesteuert wird, so dass der gesamte Stromverlust der Brennstoffzelle vermindert wird. Daher kann in den in 7 und 8 gezeigten Beispielen, das Brennstoffzellen Strom mit höherer Effizienz als in dem in 6(a) gezeigten Beispiel erzeugen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist das der Anode zugeführte Brenngas Wasserstoff. Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann als Quelle des der Anode zugeführten Wasserstoffs ein Reformationsgas, dass durch Reformation einer Kohlenwasserstoffverbindung erzeugt wurde, verwendet werden.
Ausführungsform 2
In dem Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform 1 wird die Brennstoffzelle 2 in einem Zustand betrieben, in dem ein stromabwärtiger Teil des Gaskanals auf der Anodenseite (ein stromabwärtiger Teil des Kanals für das Brennabgas) für eine vorherbestimmte Zeit geschlossen ist (in dem geschlossenen Modus) und wenn die vorherbestimmte Zeit verstreicht wird das Spülen des Gaskanals durchgeführt. Die Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 darin, dass die Brennstoffzelle 2 ohne Spülen betrieben wird (das System gemäß der Ausführungsform 2 wird nachfolgend auch als vollständiges „Dead-end"-Brennstoffzellensystem bezeichnet).
Das System gemäß der Ausführungsform 2 weist dieselbe Struktur wie das in 1 gezeigte System auf, außer dass das Spülventil 8 und der Kanal 10 nicht bereitgestellt sind und der stromabwärtige Teil des Gaskanals auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 2 geschlossen ist. Daher ist die Struktur des Systems gemäß der Ausführungsform 2 nicht besonders gezeigt und dieselben Teile wie die des Systems gemäß der Ausführungsform 1 werden durch dieselben Referenzzeichen bezeichnet und Beschreibungen derselben unterbleiben oder werden im Folgenden vereinfacht.
Das vollständige „Dead-end"-Brennstoffzellensystem ist ein System, das ermöglicht, dass ein Verunreinigungsmaterial (Stickstoff oder dergleichen), welches nicht zur Stromerzeugung beiträgt, in dem Gaskanal auf der Seite der Anode 16 der Brennstoffzelle 2 verbleibt. Insbesondere wird, unter anderen Verunreinigungsmaterialien, Stickstoff besonders beschrieben. Dennoch beabsichtigt dies nicht, andere Verun reinigungsmaterialien als Stickstoff vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung auszuschließen.
Wenn der Stickstoffpartialdruck in dem Gaskanal auf der Seite der Anode 16 auf einen gewissen Grad ansteigt, entspricht der Stickstoffpartialdruck dem Stickstoffpartialdruck in dem Gaskanal auf der Seite der Kathode 17. In diesem Fall steigt der Stickstoffpartialdruck in dem Gaskanal auf der Anodenseite nicht weiter. Das vollständige „Dead-end"-Brennstoffzellensystem ist ein System, in dem die Brennstoffzelle 2 in einem solchen Gleichgewichtszustand betrieben wird, in dem die Stickstoffpartialdrücke auf den Anoden- und Kathodenseiten einander entsprechen.
Im Folgenden wird die Drucksteuerung gemäß der Ausführungsform beschrieben. Die in den 3 und 4 in der Ausführungsform 1 beschriebenen Beziehungen gelten ebenso in dem vollständigen „Dead-end"-System gemäß der Ausführungsform 2. Das heißt, wie in 3 gezeigt, je geringer der Wasserstoffdruck an der Anode, desto geringer wird die Wirkung der Abnahme der Spannung aufgrund von Verunreinigungsmaterial in dem Kanal. Zusätzlich, wie in 4 gezeigt, je höher der Wasserstoffdruck bei der Anode, desto höher wird die Menge von Permeation des Wasserstoffgases. Daher wird auf gleiche Weise in der Ausführungsform 2 der Wasserstoffdruck an der Anode unter Berücksichtigung dieser Tatsachen gesteuert.
Insbesondere gibt es in dem vollständigen „Dead-end"-Brennstoffzellensystem die Tendenz, dass der Stickstoffpartialdruck in dem Gaskanal auf der Anodenseite geringer wird, wenn die Brennstoffzelle 2 aktiviert wird. Daher wird der Druck des Brenngases auf der Anodenseite auf den geringeren Druck P₁ gesetzt, um die Menge an Permeation von Wasserstoff auf die Seite der Kathode 17 durch die Elektrolytmembran zu vermindern. Auf diese Weise kann, wie in der Ausführungsform 1, eine Überschussmenge an Permeation von Wasserstoff verhindert und die Wasserstoffnutzung verbessert werden.
Wenn der Wasserstoffpartialdruck steigt, steigt der Druck des Brenngases auf der Anodenseite auf P₂ (P₁ < P₂). Dann wird, nachdem der Druck erhöht wurde, die Stro merzeugung in dem oben beschriebenen Gleichgewichtszustand fortgesetzt, in dem die Wasserstoffpartialdrücke auf den Anoden- und Kathodenseiten einander entsprechen. Daher kann, wie in der Ausführungsform 1, eine Abnahme der Spannung aufgrund einer übermäßigen Ansammlung von Verunreinigungsmaterialien, wie Stickstoff, vermindert werden. Insbesondere kann eine solche Drucksteuerung durch Steuern des Drucks des Brenngases auf dieselbe Weise wie in der Ausführungsform 1 erreicht werden, vorausgesetzt, dass die Zeit der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 2 als Zeit t₀ bezeichnet wird. Die Zeiten t₁, t₂ und t₃ können ebenso auf dieselbe Weise wie in der Ausführungsform 1 bezeichnet werden.
Mit einem solchen Aufbau wie mit dem System gemäß der Ausführungsform 1 kann das Brennstoffzellensystem Strom mit hoher Effizienz erzeugen.
In den Ausführungsformen 2 sind ähnliche Veränderungen wie solche in der Ausführungsform 1 möglich. Insbesondere kann das Drucksteuerverfahren basierend auf den gesamten Stromverlusten X₁ und X₂ für die in der Ausführungsform 1 beschriebenen Drücke P₁ und P₂ in der Ausführungsform 2 verwendet werden. Darüber hinaus kann die zeitliche Regulierung der Druckveränderung auf eine Zeitkoordinate festgesetzt werden, bei der sich eine erste Kurve und eine zweite Kurve, die die Veränderungen in dem gesamten Stromverlust für die Drücke P₁ und P₂ zeigen, schneiden. Darüber hinaus können verschiedene in der Ausführungsform 1 beschriebene Drucksteuerverfahren, wie das Verfahren des kontinuierlichen oder schrittweisen Veränderns des Wasserstoffdrucks an der Anode, für die Drucksteuerung in der Ausführungsform 2 verwendet werden.
Ausführungsform 3
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination der Systeme gemäß den Ausführungsformen 1 und 2 ebenso möglich. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereitstellen, in dem, wenn die Brennstoffzelle 2 in einem vorherbestimmten Bereich geringer Belastung betrieben wird, die Stromerzeugung durchgeführt werden, wenn der stromabwärtige Teil des Gaskanals auf der Anodenseite geschlossen ist (Ausführungsform 2), und wenn die Brennstoffzelle 2 in einem vorherbestimmten Bereich hoher Belastung betrieben wird, die Stromerzeugung durchgeführt werden, während entsprechend Verunreinigungsmaterialien in dem Gaskanal auf der Anodenseite (Ausführungsform 1) gespült werden. In diesem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem in dem vollständigen „Dead-end"-Modus arbeitet, kann der Zeitpunkt, zu dem die Stromerzeugung mit dem geschlossenen Gaskanal auf der Anodenseite begonnen wird, als t₀ bezeichnet werden, und wenn das Brennstoffzellensystem in dem Modus des Verwendens des Spülens betrieben wird, der Zeitpunkt unmittelbar nach dem Spülen als t₀ bezeichnet werden.
Zusammenfassung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Bereitstellen eines Brennstoffzellensystems vom „Dead-end"-Typ, welches im Stande ist Strom mit hoher Effizienz zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 2 und ein Drucksteuermittel 9 auf, das den Druck des Brenngases steuert. Die Brennstoffzelle 2 wird in einem Zustand betrieben, in dem der Kanal 10 für das Brennabgas geschlossen ist. Wenn eine vorherbestimmte Zeit verstreicht, wird der Kanal 10 zum Spülen geöffnet. Das Drucksteuermittel 9 setzt den Druck des Brenngases auf P₁ zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Spülen auf eine Zeit t₁ fest und setzt den Druck des Brenngases auf P₂, welcher höher als P₁ ist, wenn die Zeit t₁ verstrichen ist.

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Kompressor
4: Befeuchter
5: Luftdruckregelventil
6: Wasserstoffbehälter
7: Wasserstoffdruck-Regelventil
8: Spülventil
9: Drucksteuermittel
10: Kanal
11: Zelle
12: Membranelektrodengasdiffusionsschichteinheit
13, 14: Separator
15: Elektrolytmembran
16: Anode
17: Kathode
18, 19: Gasdiffusionsschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-32652 [0005]
- JP 2003-77506 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- W. L. Gore and Associates, Inc. [0043]
- W. L. Gore and Associates, Inc. [0046]

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle mit einer Elektrolytmembran, eine auf der Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Anode und eine auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnete Kathode und welcher ein Brenngas bei der Anode und ein Oxidationsgas bei der Kathode zum Erzeugen einer elektromotorischen Kraft zugeführt wird; und ein Drucksteuermittel, das den Druck des Brenngases steuert, wobei das Brennstoffzellensystem einen geschlossenen Modus aufweist, bei dem die Brennstoffzelle in einem Zustand betrieben wird, in dem der Kanal für das aus der Brennstoffzelle abgeführte Brennabgas geschlossen ist, und das Drucksteuermittel den Druck des Brenngases auf P₁ ab der Inbetriebnahme in dem geschlossenen Modus festsetzt bis eine Zeit t₁ verstreicht und den Druck des Brenngases auf P₂ (P₁ < P₂) festsetzt, nachdem die Zeit t₁ verstrichen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Spülmittel, das den Kanal zum Spülen desselben für das Brennabgas öffnet, wobei, wenn das Spülmittel das Spülen durchführt bestimmt wird, dass der geschlossene Modus unmittelbar nach dem Spülen beginnt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drucksteuermittel den Druck P₂ schrittweise erhöht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drucksteuermittel den Druck P₂ kontinuierlich erhöht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, vorausgesetzt, dass die Summe des durch die Brennstoffzelle erzeugten gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektro lytmembran, wenn der Druck P₁ als X₁ bezeichnet wird, und die Summe des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und der gesamte Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ als X₂ bezeichnet wird, die Beziehung X₂ < X₁ erfüllt ist, nachdem die Zeit t₁ verstrichen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Druck P₁ ein Druck ist, der es einer für die Brennstoffzelle zum Erzeugen von Strom benötigten Mindestmenge an Brenngas ermöglicht der Anode zugeführt zu werden, und wobei die Zeit t₁ einer Zeitkoordinate in einem Graph entspricht, dessen Koordinatenachsen die Zeit und der durch die Brennstoffzelle erzeugte gesamte Stromverlust sind, bei dem sich eine erste Kurve, welche die Summe der Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und eine Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₁ ist, zeigt, und eine zweite Kurve, welche die Summe der Veränderung des gesamten Stromverlusts aufgrund einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle und eine Veränderung in dem gesamten Stromverlust aufgrund von Permeation des Brenngases durch die Elektrolytmembran, wenn der Druck P₂ ist, zeigt, schneiden.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei, wenn die Zeit t₂ (t₁ < t₂) verstreicht, der Druck des Brenngases auf P₃ festgesetzt wird (P₂ < P₃) und der Kanal für das Brennabgas zum Durchführen des Spülens geöffnet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei der Druck P₃ ein Druck ist, der hoch genug ist, um ein in dem Kanal für das Brennabgas angesammeltes Verunreinigungsgas entsprechend abzuführen.