DE112007001680B4 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Brennstoffzelle (100) mit einem Stapelaufbau aus mehreren Zellen (40, 40A, 40B), wobei jede der Zellen eine Membran-Elektroden-Einheit (41A, 41B) aufweist, die durch Integrieren einer Anode mit einer Kathode über einer spezifischen Elektrolytmembran erhalten wird und zwischen einem Paar von Trennelementen (42A, 42B, 43A, 43B) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (100) umfasst: einen Brennstoffgaszufuhrverteiler, der eine Zufuhrmenge eines Brennstoffgases zu den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) verteilt, und einen Anodenabgasauslassverteiler, der Strömungen von nicht verbrauchtem Brennstoffgas beinhaltenden Anodenabgas von den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) zu einer gemeinsamen Strömung des Anodenabgases sammelt und die gemeinsame Strömung des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (100) ausstößt, wobei jede der Zellen (40, 40A, 40B) einen Brennstoffgasströmungsweg aufweist, der eine Strömung des Brennstoffgases, das von dem Brennstoffgaszufuhrverteiler zugeführt wird, entlang einer Oberfläche der Anode bildet und eine Strömung des Anodenabgases in den Anodenabgasauslassverteiler bildet, wobei die mehreren Zellen (40, 40A, 40B) umfassen: eine erste Zelle (40A) mit einem ersten Brennstoffgasströmungsweg, und eine zweite Zelle (40B) mit einem zweiten Brennstoffgasströmungsweg, der unterschiedlich zu dem ersten Brennstoffgasströmungsweg ist, wobei die zweite Zelle (40B) mit einem Sensor (43s) versehen ist, der einen spezifischen Parameterwert misst, der die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg betrifft, wobei der zweite Brennstoffgasströmungsweg umfasst: ein Beschränkungselement (43e), das eine Schnittfläche eines Strömungskanals in einem Teil des zweiten Brennstoffgasströmungsweges verengt, und einen nicht-verengten Bereich, der zu dem Beschränkungselement (43e) unterschiedlich ist ...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem, das die Brennstoffzelle umfasst, und ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellen, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff (Brennstoffgas) mit Sauerstoff (Oxidationsgas) erzeugen, haben als effektive Energiequelle Beachtung gefunden. Ein typisches Beispiel der Brennstoffzelle weist einen Stapelaufbau mehrerer Zellen auf, wobei jede Zelle eine Membran-Elektroden-Einheit aufweist, die durch ein Anbringen einer Anode (Wasserstoffelektrode) und einer Kathode (Sauerstoffelektrode) an jeweilige Oberflächen einer protonenleitfähigen Elektrolytmembran erhalten wird und zwischen einem Paar von Separatoren bzw. Trennelementen zwischengebracht ist. Nachstehend wird eine Brennstoffzelle mit diesem Stapelaufbau auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet.
  • Der Brennstoffzellenstapel weist im Allgemeinen Zufuhrverteiler (einen Brennstoffgaszufuhrverteiler und einen Oxidationsgaszufuhrverteiler) zur Verteilung der zugeführten Mengen der reaktionsfähigen Gase (ein Brennstoffgas und ein Oxidationsgas) zu den Anoden und den Kathoden der jeweiligen Zellen und Auslassverteiler (ein Anodenabgasauslassverteiler und ein Kathodenabgasauslassverteiler) zum Sammeln der Strömungen eines Anodenabgases und eines Kathodenabgases von den Anoden und von den Kathoden der jeweiligen Zellen und zum Ausstoßen der gesammelten Strömungen des Anodenabgases und des Kathodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel auf.
  • Ein vorgeschlagener Aufbau des Brennstoffzellenstapels bringt das Anodenabgas, das durch eine Leistungserzeugung unverbrauchtes Brennstoffgas beinhaltet, zu den Anoden der jeweiligen Zellen für eine effektive Verwendung des Brennstoffgases wieder in Umlauf. Ein weiterer vorgeschlagener Aufbau des Brennstoffzellenstapels verwendet das Brennstoffgas, das den Anoden der jeweiligen Zellen für eine Leistungserzeugung zugeführt wird, ohne ein Ausstoßen des Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel oder eine Rückführung des Anodenabgases zu den Anoden der jeweiligen Zellen. Der letztgenannte Aufbau wird Brennstoffzelle des Anodensackgassentyps (anode dead end-type fuel cell) genannt.
  • In den Brennstoffzellen mit beliebigem Aufbau wird ein Verunreinigungsgas, das in dem Brennstoffgas beinhaltet ist und keinen Anteil an der Leistungserzeugung hat, an den Anoden der jeweiligen Zellen angesammelt. Wenn Luft als das Oxidationsgas verwendet wird, wird ein Verunreinigungsgas, wie beispielsweise Stickstoff, das in der zu den Kathoden zugeführten Luft beinhaltet ist und keinen Anteil an der Leistungserzeugung hat, durch die Elektrolytmembrane übertragen und an den Anoden der jeweiligen Zellen angesammelt. Eine Ansammlung des Verunreinigungsgases an den Anoden verringert die relative Konzentration des Brennstoffgases, wobei somit die Leistungserzeugungsleistung der Brennstoffzelle verkleinert wird und die Membran-Elektroden-Einheiten verschlechtert werden. Eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten wird hauptsächlich der Oxidation von Kohlenstoff zugeschrieben, der in den Kathoden beinhaltet ist. Dieses Problem ist insbesondere in den Brennstoffzellen des Anodensackgassentyps bemerkbar, in denen das Brennstoffgas an den Anoden während der Leistungserzeugung angesammelt wird. Mehrere Verfahren sind vorgeschlagen worden, um das ein Verunreinigungsgas beinhaltendes Anodenabgas, das bei den Anoden angesammelt ist, sporadisch bzw. periodisch aus der Brennstoffzelle auszustoßen (siehe beispielsweise japanische Patentoffenlegungsschrift Nummer JP 2005-166498 A , Nummer JP 2004-327360 A und Nummer JP 2005-243477 A ).
  • Das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nummer JP 2005-166498 A offenbarte Steuerungsverfahren misst einen lokalen Strom bei einer spezifischen Stelle in jeder Zelle mit einem hohen Potenzial für ein Fehlen von Wasserstoff (beispielsweise in der Nähe eines Wasserstoffauslasses in jeder Zelle) in der Brennstoffzelle und stößt das ein Verunreinigungsgas beinhaltendes Anodenabgas aus der Brennstoffzelle in Reaktion auf einen lokalen Strom mit einem niedrigeren Wert als ein voreingestellter Bezugsstromwert aus, um die Wasserstoffkonzentration in der Zelle zu vergrößern. In einem Brennstoffzellenstapel mit mehreren hundert Zellen, die einen identischen internen Aufbau aufweisen, ist es nicht unmöglich, aber in hohem Maße unpraktisch, den lokalen Strom in allen Zellen für eine Erfassung des Wasserstofffehlens in den jeweiligen Zellen zu messen. Ein verfügbares Verfahren misst den lokalen Strom in lediglich einem Teil der Zellen unter den mehreren hundert Zellen für eine Erfassung des Wasserstofffehlens. Es gibt jedoch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass andere Zellen, die nicht Ziel der lokalen Strommessung sind, ein Wasserstofffehlen aufweisen, auch wenn kein Wasserstofffehlen in dem Teil der Zellen erfasst wird, der als das Ziel der lokalen Strommessung ausgewählt ist.
  • Das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nummer JP 2004-327360 A offenbarte Steuerungsverfahren stößt das ein Verunreinigungsgas beinhaltende Anodenabgas der jeweiligen Zellen aus der Brennstoffzelle in Reaktion auf eine Verkleinerung einer Konzentration des Brennstoffgases, das in der gesamten Brennstoffzelle strömt, auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel oder in Reaktion auf eine Vergrößerung einer Konzentration des Verunreinigungsgases auf oder über einen vorbestimmten Bezugspegel aus. Das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nummer JP 2005-243477 A offenbarte Verfahren speichert kollektiv das Anodenabgas aus den jeweiligen Zellen in einem externen Zwischenspeicher, der außerhalb der Brennstoffzelle bereitgestellt ist, und stößt das gespeicherte Anodenabgas aus dem externen Zwischenspeicher in Reaktion auf eine Verkleinerung einer Konzentration des Brennstoffgases, das in dem Anodenabgas beinhaltet ist, das in dem Zwischenspeicher gespeichert ist, auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel aus. Es gibt unvermeidbar eine Herstellungsvariation in einem Druckverlust zwischen Brennstoffgasströmungswegen der jeweiligen Zellen. Es gibt ebenso eine Variation einer Verkleinerung der Brennstoffgaskonzentration in den jeweiligen Zellen. Diese vorgeschlagenen Verfahren können trotz derartiger Variationen lediglich die gesamte Verkleinerung der Brennstoffgaskonzentration oder die gesamte Vergrößerung der Verunreinigungsgaskonzentration in dem gesamten Brennstoffzellenstapel erfassen. Eine relativ hohe Ausstoßfrequenz des ein Brennstoffgas beinhaltenden Anodenabgases aus der Brennstoffzelle ist erforderlich, um das potenzielle Problem in den individuellen Zellen zu vermeiden. Das Brennstoffgas, das für eine Leistungserzeugung verwendbar ist, wird dementsprechend in verschwenderischer Weise aus der Brennstoffzelle ausgestoßen. Es gibt dementsprechend weiterhin Raum für eine Verbesserung in der effektiven Verwendung des Brennstoffgases in dem Brennstoffzellenstapel.
  • Die Druckschrift US 2003/022031 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrochtung zum automatischen Schalten eines Brennstoffzellensystems.
  • Die Druckschrift DE 102 36 845 A1 offenbart eine Brennstoffzelle mit integriertem Sensor.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es gibt einen Bedarf zur Ermöglichung einer effektiven Verwendung eines Brennstoffgases und einer Verhinderung einer Verschlechterung von Membran-Elektroden-Einheiten durch eine Kohlenstoffoxidation in einer Brennstoffzelle des Anodensackgassentyps.
  • Zumindest ein Teil der vorstehend genannten und weiterer diesbezüglicher Bedürfnisse wird durch eine Brennstoffzelle gemäß Patentanspruch 1, ein Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 5, das die Brennstoffzelle umfasst, und ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 6 erreicht.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau mehrerer Zellen definiert, wobei jede der Zellen eine Membran-Elektroden-Einheit aufweist, die durch Integrieren einer Anode mit einer Kathode über einer spezifischen Elektrolytmembran erhalten wird und zwischen einem Paar von Trennelementen angeordnet ist. Die Brennstoffzelle umfasst: einen Brennstoffgaszufuhrverteiler, der eine Zufuhrmenge eines Brennstoffgases zu den Anoden der jeweiligen Zellen verteilt, und einen Anodenabgasauslassverteiler, der Strömungen von unverbrauchtem Anodenabgas von den Anoden der jeweiligen Zellen zu einer kollektiven Strömung des Anodenabgases sammelt und die kollektive Strömung des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle ausstößt. Jede der Zellen weist einen Brennstoffgasströmungsweg auf, der eine Strömung des Brennstoffgases, das von dem Brennstoffgaszufuhrverteiler zugeführt wird, entlang einer Oberfläche der Anode bildet und die Strömung des Anodenabgases in den Anodenabgasauslassverteiler bildet. Die mehreren Zellen umfassen: eine erste Zelle mit einem ersten Brennstoffgasströmungsweg, und eine zweite Zelle mit einem zweiten Brennstoffgasströmungsweg, der aufgebaut ist, einen spezifischen Strömungswegaufbau mit einem im Vergleich zu einem Potenzial des ersten Brennstoffgasströmungsweges höheren Potenzial für eine Verkleinerung einer Konzentration des Brennstoffgases in zumindest einem Teilbereich während einer Leistungserzeugung aufzuweisen. Die zweite Zelle ist mit einem Sensor versehen, der einen spezifischen Parameterwert bezüglich der Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg misst.
  • Der Aufbau wird in der vorstehend genannten Brennstoffzelle des Anodensackgassentyps angewendet. In der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausgestaltung weist der zweite Brennstoffgasströmungsweg der zweiten Zelle den spezifischen Strömungswegaufbau mit einem im Vergleich zu dem ersten Brennstoffgasströmungsweg der ersten Zelle höheren Potenzial für eine Verkleinerung in einer relativen Konzentration des Brennstoffgases und für eine Vergrößerung einer Konzentration eines Verunreinigungsgases zumindest in dem Teilbereich während einer Leistungserzeugung auf. In der Brennstoffzelle, die eine Anzahl von ersten Zellen umfasst, kann eine Herstellungsvariation in einem Druckverlust zwischen den ersten Brennstoffgasströmungswegen der jeweiligen ersten Zellen vorhanden sein. Auch in derartigen Fällen veranlasst die Anordnung der Erfindung, dass die Konzentrationen des Brennstoffgases in allen ersten Brennstoffgasströmungswegen höher sind als die Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg.
  • Der Sensor wird verwendet, um den spezifischen Parameterwert bezüglich der Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg der zweiten Zelle zu messen, der das höchste Potenzial für die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases unter den mehreren Zellen aufweist. Der spezifische Parameterwert, der durch den Sensor gemessen wird, ermöglicht eine Schätzung einer Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases auf oder unter eine voreingestellte Bezugskonzentration und einer Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases auf oder über einen vorbestimmten Bezugspegel in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg der zweiten Zelle. Eine derartige Schätzung führt zu einer Annahme einer Verkleinerung einer Konzentration des Brennstoffgases auf oder unter die voreingestellte Bezugskonzentration und einer Vergrößerung einer Konzentration des Verunreinigungsgases auf oder über den vorbestimmten Bezugspegel in den ersten Strömungsgasströmungswegen der erste Zelle. Die Bezugskonzentration des Brennstoffgases und der Bezugspegel des Verunreinigungsgases werden beliebig in einem Bereich eingestellt, der im Wesentlichen keine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheit durch eine Kohlenstoffoxidation verursacht. In Reaktion auf die Schätzung der Brennstoffgaskonzentration, die auf oder unter die voreingestellte Bezugskonzentration verkleinert ist, wird das Anodenabgas, das in den jeweiligen Zellen angesammelt ist, die die erste Zelle und die zweite Zelle umfassen, aus der Brennstoffzelle durch den Anodenabgasauslassverteiler ausgestoßen. Das Ausstoßen des Verunreinigungsgases, das in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg und in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg angesammelt ist, aus der Brennstoffzelle stellt die Konzentration des Brennstoffgases auf einen normalen Pegel wieder her und verhindert hierdurch eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten der jeweiligen Zellen durch eine Kohlenstoffoxidation. Eine geeignete Einstellung der Bezugskonzentration des Brennstoffgases als das Kriterium zur Bestimmung der Ausstoßzeitsteuerung des Anodenabgases verringert das Ausstoßen des unverbrauchten Brennstoffgases das in dem Anodenabgas verbleibt, aus der Brennstoffzelle und stellt die effektive Verwendung des Brennstoffgases für die Leistungserzeugung sicher.
  • Die Anordnung ermöglicht somit die effektive Verwendung des Brennstoffgases und verhindert in gewünschter Weise eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten in der Brennstoffzelle durch eine Kohlenstoffoxidation.
  • In der Brennstoffzelle können eine oder mehrere zweite Zellen vorhanden sein. In der Brennstoffzelle mit mehreren zweiten Zellen ist es zu bevorzugen, die Ausstoßzeitsteuerung des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle auf der Grundlage der niedrigsten Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg einer zweiten Zelle unter den mehreren zweiten Zellen zu bestimmen.
  • In der Brennstoffzelle umfasst der spezifische Strömungswegaufbau des zweiten Brennstoffgasströmungsweges: ein Beschränkungselement, das eine Schnittfläche eines Strömungskanals in einem Teil des zweiten Brennstoffgasströmungsweges verengt, und einen nicht-verengten Bereich, der zu dem Beschränkungselement unterschiedlich ist. Ein spezifischer Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements weist einen verringerten Druck im Vergleich zu einem Druck in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg auf. Der Sensor ist in dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements angeordnet.
  • Das Beschränkungselement und der nicht-verengte Bereich, der in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg bereitgestellt ist, vergrößern den Druckverlust in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg, um höher als der Druckverlust in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg zu sein. Der Druck in dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements wird somit kleiner gemacht als der Druckpegel in dem restlichen Bereich während einer Leistungserzeugung. Der spezifische Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements weist dementsprechend eine Ansammlung des Verunreinigungsgases, das in der ersten Zelle erzeugt wird und durch den Anodenabgasauslassverteiler geleitet wird, sowie eine Ansammlung des Verunreinigungsgases auf, das in der zweiten Zelle erzeugt wird. Dies verursacht eine relative Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases. Der Sensor, der in dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements angeordnet ist, erfasst in effektiver Weise eine Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in der Brennstoffzelle.
  • In der Brennstoffzelle kann der Sensor ein Konzentrationssensor sein, der zumindest eine einer Konzentration des Brennstoffgases und einer Konzentration eines vorbestimmten Gases, das zu dem Brennstoffgas unterschiedlich ist, als den spezifischen Parameterwert misst.
  • Diese Anordnung erfasst direkt eine Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in der Brennstoffzelle. Das vorbestimmte Gas, das zu dem Brennstoffgas unterschiedlich ist, ist beispielsweise Stickstoff.
  • In der Brennstoffzelle kann der Sensor ein Potenzialsensor sein, der ein lokales Potenzial entweder der Anode oder der Kathode auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements als den spezifischen Parameterwert misst.
  • Die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in einem spezifischen Anodenbereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements verringert lokal die Leistungserzeugungsleistung in dem spezifischen Anodenbereich und verursacht eine lokale Vergrößerung eines Anodenpotenzials in diesem spezifischen Anodenbereich und eine lokale Vergrößerung eines Kathodenpotenzials in einem entsprechendem Kathodenbereich, der dem spezifischen Anodenbereich über der Elektrolytmembran gegenüberliegt. Diese Anordnung erfasst indirekt eine Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in der Brennstoffzelle.
  • In der Brennstoffzelle kann der Sensor ein Stromsensor sein, der einen elektrischen Strom erfasst, der in einem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit erzeugt wird, der einem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements gegenüberliegt.
  • Die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in einem spezifischen Anodenbereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements verringert die Größe einer Leistungserzeugung und verkleinert den elektrischen Stromfluss in dem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit. Diese Anordnung erfasst indirekt eine Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in der Brennstoffzelle.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Brennstoffzelle weist der zweite Brennstoffgasströmungsweg einen Druckverlust, der im Wesentlichen äquivalent zu einem Druckverlust des ersten Brennstoffgasströmungsweges ist, und eine kürzere Strömungsweglänge als eine Strömungsweglänge des ersten Brennstoffgasströmungsweges auf. Der Sensor ist ein Spannungssensor, der eine Leerlaufspannung der zweiten Zelle als den spezifischen Parameterwert misst.
  • In der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausgestaltung ist die zweite Zelle mit dem Spannungssensor versehen, der die Leerlaufspannung der zweiten Zelle misst. Der in der zweiten Zelle erzeugte elektrische Strom wird nicht in die erste Zelle oder in eine Last geleitet, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Die zweite Zelle wird nämlich lediglich zur Erfassung einer Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases oder einer Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg verwendet. In der Brennstoffzelle gemäß dieser Ausgestaltung ist der zweite Brennstoffgasströmungsweg ausgelegt, einen Druckverlust, der im Wesentlichen äquivalent zu dem Druckverlust des ersten Brennstoffgasströmungsweges ist, und eine kürzere Strömungsweglänge als die Strömungsweglänge des ersten Brennstoffgasströmungsweges aufzuweisen. Die Kapazität des zweiten Brennstoffgasströmungsweges ist kleiner als die Kapazität des ersten Brennstoffgasströmungsweges. Es gibt folglich ein höheres Potenzial für eine Variation in der Konzentration des Brennstoffgases oder eine Variation in der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg im Vergleich zu der Konzentration des Brennstoffgases oder der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg. Die Brennstoffzelle gemäß dieser Anordnung ermöglicht eine Erfassung einer Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg mit hoher Genauigkeit.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das umfasst: die Brennstoffzelle mit einer der vorstehend beschriebenen Anordnungen, eine Auslassleitung, die mit dem Anodenabgasauslassverteiler verbunden ist, ein Ausstoßventil, das in der Auslassleitung angeordnet ist, und eine Steuerungseinrichtung, die eine Ausstoßgröße des Ausstoßventils steuert. Die Steuerungseinrichtung ermöglicht eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle mit einer Zufuhr des Brennstoffgases bzw. einer Zufuhr eines Oxidationsgases zu der Anode bzw. zu der Kathode jeder Zelle in einem beschränkten Zustand des Ausstoßventils, sie steuert den Sensor, um den spezifischen Parameterwert während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle zu messen, und sie öffnet das Ausstoßventil in Reaktion auf eine Schätzung einer Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Parameterwerts.
  • Das Brennstoffzellensystem verwendet in effektiver Art und Weise die Brennstoffzelle des Anodensackgassentyps, die eine effektive Verwendung des Brennstoffgases ermöglicht und eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle durch eine Kohlenstoffoxidation verhindert.
  • Beliebige der Anordnungen und Eigenschaften, die vorstehend beschrieben sind, können in adäquater Art und Weise kombiniert werden. Die Technik der Erfindung ist nicht auf die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem begrenzt, die vorstehend beschrieben sind, sondern ist ebenso durch ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems erreichbar. Die Erfindung wird ebenso durch die Vielfalt anderer Anwendungen aktualisiert. Beispiele möglicher Anwendungen umfassen Computerprogramme zum Erreichen des Steuerungsverfahrens des Brennstoffzellensystems, Aufzeichnungsmedien, auf denen derartige Computerprogramme aufgezeichnet sind, und Datensignale, die derartige Computerprogramme umfassen und in Trägerwellen ausgedrückt werden. Beliebige zusätzliche Anordnungen, die vorstehend beschrieben sind, können in jeder dieser anderen Anwendungen angepasst werden.
  • In den Anwendungen der Erfindung als die Computerprogramme und die Aufzeichnungsmedien, auf denen die Computerprogramme aufgezeichnet sind, kann die Erfindung als ein vollständiges Programm zur Steuerung der Betriebe des Brennstoffzellensystems oder als ein Teilprogramm zur Ausübung lediglich der charakteristischen Funktionen der Erfindung angegeben sein. Verfügbare Beispiele der Aufzeichnungsmedien umfassen Floppydisketten, CD-ROM, DVD-ROM, magnetooptische Platten, IC-Karten, ROM-Steckmodule, Lochkarten, Ausdrücke mit Strichcodes oder anderen darauf gedruckten Codes, interne Speichervorrichtungen (Speicher wie RAM und ROM) und externe Speichervorrichtungen des Computers sowie eine Vielzahl anderer computerlesbarer Medien.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst,
  • 2 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer ersten Zelle als eine Komponente des Brennstoffzellenstapels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer zweiten Zelle als eine andere Komponente des Brennstoffzellenstapels gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird,
  • 5 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer zweiten Zelle als die Komponente des Brennstoffzellenstapels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgefuhrt wird,
  • 7 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer zweiten Zelle als die Komponente des Brennstoffzellenstapels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 8 zeigt den schematischen Aufbau eines Leistungskollektors als eine weitere Komponente des Brennstoffzellenstapels gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgefuhrt wird,
  • 10 zeigt den Aufbau eines Kathodentrennelements, einer dichtungsintegrierten MEA und eines Anodentrennelements einer zweiten Zelle als die Komponente des Brennstoffzellenstapels gemaß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 11 zeigt eine Schnittansicht, die den Aufbau der zweiten Zelle gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt, und
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ausgefuhrt wird.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend in der nachfolgenden Abfolge als bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben:
    • A. Aufbau eines Brennstoffzellensystems
    • B. Erstes Ausführungsbeispiel
    • B1. Aufbau der Zellen
    • B2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
    • C. Zweites Ausführungsbeispiel
    • C1. Aufbau der Zelle
    • C2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
    • D. Drittes Ausführungsbeispiel
    • D1. Aufbau der Zelle und des Leistungskollektors
    • D2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
    • E. Viertes Ausfuhrungsbeispiel
    • E1. Aufbau der Zelle
    • E2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
    • F. Fünftes Ausfuhrungsbeispiel
    • G. Modifikationen
  • A. Aufbau eines Brennstoffzellensystems
  • 1 veranschaulicht schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1000, das einen Brennstoffzellenstapel 100 gemaß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst. Die jeweiligen Ausführungsbeispiele, die nachstehend beschrieben sind, weisen den identischen Grundaufbau zu dem Brennstoffzellensystem 1000 mit Ausnahme des Aufbaus des Brennstoffzellenstapels 100 auf.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 ist als ein Stapelaufbau mehrerer Zellen 40 aufgebaut, die eine elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugen. Jede Zelle 40 weist eine Membran-Elektroden-Einheit auf, die zwischen einem Paar von Trennelementen bzw. Separatoren angeordnet ist. Die Membran-Elektroden-Einheit weist eine Anode und eine Kathode auf, die an jeweilige Oberflächen einer protonenleitfähigen Elektrolytmembran angebracht sind. Jede der Anode und der Kathode umfasst eine Katalysatorschicht, die an der entsprechenden Oberfläche der Elektrolytmembran angebracht ist, und eine Gasdiffusionsschicht, die auf der Oberfläche der Katalysatorschicht ausgebildet ist. Die Elektrolytmembran ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion (eingetragene Marke), obwohl die Elektrolytmembran aus einem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann, beispielsweise aus einem Festoxid. Jedes Trennelement weist einen Strömungsweg von Wasserstoff als ein Brennstoffgas, das der Anode zuzuführen ist, einen Strömungsweg von Luft als ein Oxidationsgas, das der Kathode zuzuführen ist, und einen Strömungsweg eines Kühlwassers auf. Die Schichtanzahl der Zellen 40 ist in beliebiger Weise entsprechend der Leistungsanforderung eingestellt, die für die Brennstoffzelle 100 erforderlich ist.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 wird erhalten, indem eine Endplatte 10a, eine Isolatorplatte 20a, ein Leistungskollektor bzw. eine Leistungssammeleinrichtung 30a, mehrere Zellen 40, ein anderer Leistungskollektor bzw. eine andere Leistungssammeleinrichtung 30b, eine andere Isolatorplatte 20b und eine andere Endplatte 10b in dieser Abfolge geschichtet werden. Diese Platten, Kollektoren und Zellen weisen Zufuhreinlässe und Ausstoßauslässe für die Strömungen von Wasserstoff, Luft und Kühlwasser in dem Brennstoffzellenstapel 100 auf. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst Zufuhrverteiler (einen Wasserstoffzufuhrverteiler, einen Luftzufuhrverteiler und einen Kühlwasserzufuhrverteiler) zur Verteilung der Zufuhrmengen von Wasserstoff, Luft und Kühlwasser zu den jeweiligen Zellen 40 und Auslassverteiler (einen Anodenabgasauslassverteiler, einen Kathodenabgasauslassverteiler und einen Kühlwasserauslassverteiler) zum Sammeln der Strömungen eines Anodenabgases und eines Kathodenabgases von den Anoden und von den Kathoden der jeweiligen Zellen 40 und der Strömungen des Kühlwassers von den jeweiligen Zellen 40 sowie zum Ausstoßen der gesammelten Strömungen des Anodenabgases, des Kathodenabgases und des Kühlwassers aus dem Brennstoffzellenstapel 100.
  • In dem Brennstoffzellenstapel 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel umfassen die mehreren Zellen 40 mehrere erste Zellen 40A und eine zweite Zelle 40B. Die zweite Zelle 40B wird zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration in dem Verlauf der Leistungserzeugung verwendet und weist einen unterschiedlichen internen Aufbau zu dem der ersten Zelle 40A auf, wie es nachstehend beschrieben ist. In dem veranschaulichten Aufbau gemäß 1 ist die zweite Zelle 40B benachbart zu dem Leistungskollektor 30a angeordnet. Diese Anordnung ist jedoch nicht wesentlich, und die zweite Zelle 40B kann bei einer beliebigen anderen geeigneten Position angeordnet sein.
  • Die Endplatten 10a und 10b sind aus einem Metall, wie beispielsweise Stahl, hergestellt, um eine ausreichende Steifigkeit aufzuweisen. Die Isolatorplatten 20a und 20b sind aus einem isolierenden Material hergestellt, wie beispielsweise einem Gummi oder einem Harz. Die Leistungskollektoren 30a und 30b sind aus einem gasundurchlässigen leitfähigen Material hergestellt, wie beispielsweise einem dichten Kohlenstoffmaterial oder einem Kupfermaterial. Die Leistungskollektoren 30a und 30b weisen (nicht gezeigte) Ausgangsanschlüsse auf, um die durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugte elektrische Leistung auszugeben.
  • Obwohl es nicht spezifisch veranschaulicht ist, wird auf den Brennstoffzellenstapel 100 in der zugehörigen Schichtungsrichtung eine Presskraft bzw. Druckkraft aufgebracht, um eine Verschlechterung der Zellenleistung aufgrund einer Vergrößerung eines Kontaktwiderstands zu verhindern und einen Gasaustritt bei irgendeiner Position in dem Stapelaufbau zu verhindern.
  • Eine Zufuhrmenge von Wasserstoff als das Brennstoffgas wird von einem Wasserstofftank 50 zur Speicherung eines Hochdruckwasserstoffs zugeführt und durch eine Zufuhrleitung 53 zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 geleitet. Der Wasserstofftank 50 ist nicht wesentlich, und er kann durch einen Mechanismus zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases durch eine Reformierungsreaktion von Alkohol, Kohlenwasserstoff oder eines Aldehyds als das Rohmaterial und zur Zufuhr des erzeugten wasserstoffreichen Gases zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 ersetzt werden.
  • Der in dem Wasserstofftank 50 gespeicherte Hochdruckwasserstoff geht durch ein Absperrventil 51, das bei dem Auslass des Wasserstofftanks 50 bereitgestellt ist, und ein Regelventil 52 zur Druckregulierung und Strömungsgeschwindigkeitsregulierung und wird über den Wasserstoffzufuhrverteiler zu den Anoden der jeweiligen Zellen 40 zugeführt. Das Anodenabgas von den Anoden der jeweiligen Zellen 40 strömt durch eine Auslassleitung 54, die mit dem Anodenabgasauslassverteiler verbunden ist, und wird aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgestoßen. Ein Ausstoßventil 55, das in der Auslassleitung 54 bereitgestellt ist, wird geöffnet und geschlossen, um das Ausstoßen des Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu ermöglichen und zu verhindern. Ein Restwasserstoff, der in dem aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgestoßenen Anodenabgas beinhaltet ist, wird durch eine (nicht gezeigte) Verdünnungseinrichtung oder Verbrennungseinrichtung verarbeitet.
  • Eine Zufuhrmenge von Luft, die durch einen Kompressor 60 verdichtet wird, wird als das Sauerstoff beinhaltende Oxidationsgas zugeführt und durch eine Zufuhrleitung 61 zu den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 100 geleitet. Die verdichtete Luft wird den Kathoden der jeweiligen Zellen 40 über den Luftzufuhrverteiler zugeführt, der mit der Zufuhrleitung 61 verbunden ist. Das Kathodenabgas von den Kathoden der jeweiligen Zellen 40 fließt durch eine Auslassleitung 62, die mit dem Kathodenabgasauslassverteiler verbunden ist, und wird aus dem Brennstoffzellenstapel 100 ausgestoßen. Nasser, das durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff bei den Kathoden in dem Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt wird, wird zusammen mit dem Kathodenabgas von der Auslassleitung 62 ausgestoßen.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt Wärme durch die elektrochemische Reaktion und wird durch den Kühlwasserfluss abgekühlt. Der Kühlwasserfluss wird durch eine Fließleitung 72 mittels einer Pumpe 70 in Umlauf gebracht, durch eine Kühleinrichtung 71 abgekühlt und dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführt.
  • Die Betriebe des Brennstoffzellensystems 1000 unterliegen einer Steuerung einer Steuerungseinheit 80. Die Steuerungseinheit 80 ist als ein Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, ein RAM und ein ROM umfasst. Die Steuerungseinheit 80 betätigt die relevanten Ventile und Pumpen, um die Betriebe des Brennstoffzellensystems 1000 entsprechend einem in dem ROM gespeicherten Steuerungsprogramm zu steuern. Das Brennstoffzellensystem 1000 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das zuvor beschriebene Brennstoffzellensystem des Anodensackgassentyps und weist das Ausstoßventil 55 auf, das während der Leistungserzeugung im Allgemeinen geschlossen ist. Mit einer Vergrößerung der Konzentration eines Verunreinigungsgases, das in der Gasströmung zu der Anode des Brennstoffzellenstapels 100 beinhaltet ist, und einer sich daraus ergebenden relativen Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel führt die Steuerungseinheit 80 eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung aus, um das das Verunreinigungsgas beinhaltende Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 100 auszustoßen, wie es nachstehend beschrieben ist. Die Steuerungseinheit 80 gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel ist aquivalent zu einer Steuerungseinheit der Erfindung.
  • B. Erstes Ausführungsbeispiel
  • B1. Aufbau der Zellen
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die erste Zelle 40A den nachstehend beschriebenen Aufbau auf. Die erste Zelle 40A gemäß diesem Aufbau wird ebenso in Brennstoffzellenstapeln der zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele der Erfindung verwendet. Die Beschreibung bezüglich des Aufbaus der ersten Zelle 40A wird somit in der Beschreibung der zweiten bis vierten Ausführungsbeispiele weggelassen.
  • 2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die schematisch den Aufbau der ersten Zelle 40A gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel veranschaulicht. Die erste Zelle 40A weist eine rechteckige Form auf und umfasst eine dichtungsintegrierte MEA (membrane electrode assembly bzw. Membran-Elektroden-Einheit) 41A, die zwischen einem Kathodentrennelement bzw. einem Kathodenseparator 42A und einem Anodentrennelement bzw. einem Anodenseparator 43A angeordnet ist. Die dichtungsintegrierte MEA 41A weist eine Membran-Elektroden-Einheit 410 auf, die durch ein (nicht gezeigtes) Dichtungsrahmenelement umgeben ist. Das Dichtungsrahmenelement ist gemäß diesem Ausfuhrungsbeispiel aus einem Silikongummi hergestellt.
  • Wie es veranschaulicht ist, weisen die dichtungsintegrierte MEA 41A, das Kathodentrennelement 42A und das Anodentrennelement 43A entlang zugehoriger jeweiliger kurzer Seiten Durchgangslöcher 41ai, 42ai und 43ai zur Ausbildung des Wasserstoffzufuhrverteilers und Durchgangslöcher 41ao, 42ao und 43ao zur Ausbildung des Anodenabgasauslassverteilers auf. Die dichtungsintegrierte MEA 41A, das Kathodentrennelement 42A und das Anodentrennelement 43A weisen ebenso entlang zugehöriger jeweiliger anderer kurzer Seiten Durchgangslöcher 41ci, 42ci und 43ci zur Ausbildung des Luftzufuhrverteilers und Durchgangslöcher 41co, 42co und 43co zur Ausbildung des Kathodenabgasauslassverteilers auf. Die Durchgangslöcher 41ai, 41ao, 41ci und 41co, die in der dichtungsintegrierten MEA 41A ausgebildet sind, die Durchgangslöcher 42ai, 42ao, 42ci und 42co, die in dem Kathodentrennelement 42A ausgebildet sind, und die Durchgangslöcher 43ai, 43ao, 43ci und 43co, die in dem Anodentrennelement 43A ausgebildet sind, sind angeordnet, um in einer Schichtung der dichtungsintegrierten MEA 41A, des Kathodentrennelements 42A und des Anodentrennelements 43A jeweils ausgerichtet bzw. fluchtend zu sein.
  • Das Anodentrennelement 43A weist eine Nut 43d, die zwischen dem Durchgangsloch 43ai und dem Durchgangsloch 43ao ausgebildet ist, auf einer zugehörigen Oberfläche auf, die gegenüberliegend zu der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 ist, um eine gewundene Wasserstoffströmung über die gesamte Oberfläche der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 zu bilden. Die Pfeile der gestrichelten Linie stellen die Strömung des Wasserstoffs und des Anodenabgases dar. Diese Darstellung wird in einigen der nachfolgenden Zeichnungen, die die Zellenaufbauten veranschaulichen, angewendet. Die Nut 43d, die in dem Anodentrennelement 43A der ersten Zelle 40A in dem Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, ist äquivalent zu dem ersten Brennstoffgasströmungsweg der Erfindung.
  • Obwohl es nicht spezifisch veranschaulicht ist, weist das Kathodentrennelement 42A wie das Anodentrennelement 43A eine Nut, die zwischen dem Durchgangsloch 42ci und dem Durchgangsloch 42co ausgebildet ist, auf einer zugehörigen Oberfläche auf, die zu der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410 gegenüberliegend ist, um eine gewundene Strömung der Luft über die gesamte Oberfläche der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410 zu bilden. Die Pfeile der strichpunktierten Linie stellen die Strömung der Luft und des Kathodenabgases dar. Diese Darstellung wird in einigen der nachfolgenden Zeichnungen angewendet, die die Zellenaufbauten veranschaulichen.
  • Die dichtungsintegrierte MEA 41A, das Kathodentrennelement 42A und das Anodentrennelement 43A weisen tatsächlich andere Durchgangslöcher für eine Ausbildung des Kühlwasserzufuhrverteilers und für eine Ausbildung des Kühlwasserauslassverteilers sowie als Kühlwasserströmungswege auf. Diese Elemente werden zur Vereinfachung der Veranschaulichung und Beschreibung weggelassen.
  • Die Beschreibung bezieht sich auf den Aufbau der zweiten Zelle 40B.
  • 3 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die den Aufbau der zweiten Zelle 40B gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht. Wie die erste Zelle 40A weist die zweite Zelle 40B eine rechteckige Form auf und umfasst eine dichtungsintegrierte MEA 41B, die zwischen ein Kathodentrennelement 42B und ein Anodentrennelement 43B angeordnet ist. Die dichtungsintegrierte MEA 41B weist eine Membran-Elektroden-Einheit 410 auf, die durch ein (nicht gezeigtes) Dichtungsrahmenelement umgegeben ist.
  • Die dichtungsintegrierte MEA 41B, das Kathodentrennelement 42B und das Anodentrennelement 43B der zweiten Zelle 40B weisen Durchgangslocher mit identischen Formen bei identischen Positionen im Vergleich zu denen auf, die in der dichtungsintegrierten MEA 41A, dem Kathodentrennelement 42A und dem Anodentrennelement 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind. Die dichtungsintegrierte MEA 41B und das Kathodentrennelement 42B der zweiten Zelle 40B sind identisch zu der dichtungsintegrierten MEA 41A und dem Kathodentrennelement 42A der ersten Zelle 40A.
  • Das Anodentrennelement 43B weist eine Nut 43Bd auf, die zwischen dem Durchgangsloch 43ai und dem Durchgangsloch 43ao auf einer zugehörigen Oberfläche ausgebildet ist, die der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 gegenüberliegt, um eine gewundene Strömung des Wasserstoffs über die gesamte Oberfläche der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 zu bilden. Wie es veranschaulicht ist, weist die Nut 43Bd ein Beschränkungselement 43e auf, das in einem Bereich bereitgestellt ist, der nahe dem stromabwärtsseitigen Durchgangsloch 43ao ist, um die Schnittfläche des Strömungskanals zu verengen. Das Beschränkungselement 43e kann integral mit dem Anodentrennelement 43B ausgebildet sein oder als ein getrenntes Element bereitgestellt sein, um an die Nut 43Bd angebracht zu werden. Ein Wasserstoffkonzentrationssensor 43s zur Messung der Wasserstoffkonzentration ist auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e, d. h. in der Nut 43Bd zwischen dem Beschränkungselement 43e und dem Durchgangsloch 43ao bereitgestellt. Die Nut 43Bd, die in dem Anodentrennelement 43B in dem Aufbau gemaß dem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, ist äquivalent zu dem zweiten Brennstoffgasstromungsweg gemäß der Erfindung. Der verbleibende Bereich der Nut 43Bd, der zu dem Beschränkungselement 43e in dem Aufbau gemäß dem Ausführungsbeispiel unterschiedlich ist, ist aquivalent zu dem nicht-verengten Bereich gemäß der Erfindung. Die Nut 43Bd zwischen dem Beschränkungselement 43e und dem Durchgangsloch 43ao wird nachstehend als „nicht-verengter Bereich auf der Stromabwartsseite des Beschränkungselements 43e” bezeichnet.
  • Im Verlauf einer Leistungserzeugung mit dem Ausstoßventil 55 (siehe 1) in dem geschlossenen Zustand wird der Druck in dem nicht-verengten Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43B der zweiten Zelle 40B niedriger als der Druck in dem anderen Bereich. Der nicht-verengte Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e weist dementsprechend eine Ansammlung eines Verunreinigungsgases, das in der zweiten Zelle 40B erzeugt wird, sowie eine Ansammlung eines Verunreinigungsgases auf, das in der ersten Zelle 40A erzeugt wird und durch den Anodenabgasauslassverteiler geströmt ist. Der nicht-verengte Bereich auf der Stromabwartsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43B der zweiten Zelle 40B weist nämlich ein höheres Potenzial für eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases und für eine sich daraus ergebende relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration im Vergleich zu den Nuten 43d auf, die bei den Anodentrennelementen 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind. Der Wasserstoffkonzentrationssensor 43s, der in dem nicht-verengte Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschrankungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43B der zweiten Zelle 40B angeordnet ist, erfasst in effektiver Art und Weise eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration und einer Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem Brennstoffzellenstapel 100.
  • B2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Die CPU der Steuerungseinheit 80 führt gelegentlich die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung im Verlauf der Leistungserzeugung aus. Das Ausstoßventil 55 ist bei einem Start der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung geschlossen.
  • Die CPU empfängt einen Messwert der Wasserstoffkonzentration in dem nicht-verengten Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43B der zweiten Zelle 40B von dem Wasserstoffkonzentrationssensor 43s (Schritt S100) und bestimmt, ob die gemessene Wasserstoffkonzentration auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S110). Der Bezugspegel der Wasserstoffkonzentration wird beispielsweise auf eine untere Grenze eines Bereichs ohne Kohlenstoffoxidation eingestellt, bei dem die Katalysatorschicht der Kathode in der Membran-Elektroden-Einheit 410 keine Kohlenstoffoxidation durch die Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration aufweist.
  • Wenn die in dem Schritt S100 empfangene Wasserstoffkonzentration auf oder unter den voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S110: ja), öffnet die CPU das Ausstoßventil 55 (Schritt S120), um einen Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu ermöglichen. Wenn die Wasserstoffkonzentration höher als der voreingestellte Bezugspegel ist (Schritt S110: nein), wird demgegenüber die Verarbeitung der Schritte S100 und S110 wiederholt.
  • Die CPU bestimmt dann, ob eine voreingestellte Ventilöffnungszeit seit dem Öffnen des Ausstoßventils 55 abgelaufen ist (Schritt S130). Die Ventiloffnungszeit wird auf eine bestimmte Zeitdauer eingestellt, die für ein ausreichendes Ausstoßen des Verunreinigungsgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 erforderlich ist.
  • Nach Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit (S130: ja) schließt die CPU das Ausstoßventil 55 (Schritt S140), um den Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
  • Der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels ermöglicht die effektive Verwendung von Wasserstoff als das Brennstoffgas und verhindert eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten 410 des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Kohlenstoffoxidation in dem Brennstoffzellensystem des Anodensackgassentyps 1000.
  • C. Zweites Ausführungsbeispiel
  • C1. Aufbau der Zelle
  • 5 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die den Aufbau einer zweiten Zelle 40C in einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch veranschaulicht. Wie die erste Zelle 40A, die in dem ersten Ausfuhrungsbeispiel beschrieben ist, weist die zweite Zelle 40C des zweiten Ausführungsbeispiels eine rechteckige Form auf und umfasst eine dichtungsintegrierte MEA 41C, die zwischen einem Kathodentrennelement 42C und einem Anodentrennelement 43C angeordnet ist. Die dichtungsintegrierte MEA 41C weist eine Membran-Elektroden-Einheit 410C auf, die durch ein (nicht gezeigtes) Dichtungsrahmenelement umgeben ist.
  • Die dichtungsintegrierte MEA 41C, das Kathodentrennelement 42C und das Anodentrennelement 43C der zweiten Zelle 40C weisen Durchgangslöcher mit identischen Formen bei identischen Positionen im Vergleich zu denen auf, die in der dichtungsintegrierten MEA 41A, dem Kathodentrennelement 42A und dem Anodentrennelement 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind. Die dichtungsintegrierte MEA 41C und das Kathodentrennelement 42C der zweiten Zelle 40C sind identisch zu der dichtungsintegrierten MEA 41A und dem Kathodentrennelement 42A der ersten Zelle 40A.
  • Wie das Anodentrennelement 43C gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel weist das Anodentrennelement 43C gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Nut 43Cd auf, die zwischen dem Durchgangsloch 43ai und dem Durchgangsloch 43ao auf einer zugehörigen Oberfläche ausgebildet ist, die der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410C gegenüberliegt, um eine gewundene Stromung des Wasserstoffs uber die gesamte Oberfläche der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410C zu bilden. Die Nut 43Cd weist ein Beschränkungselement 43E auf, das in einem Bereich bereitgestellt ist, der nahe zu dem stromabwärtsseitigen Durchgangsloch 43ao ist, um die Schnittfläche des Stromungskanals zu verengen. Anders als das Anodentrennelement 43B gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel weist das Anodentrennelement 43C gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel keinen Wasserstoffkonzentrationssensor 43s in dem nicht-verengten Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e, d. h. in der Nut 43Cd zwischen dem Beschränkungselement 43e und dem Durchgangsloch 43ao auf. In dem Aufbau gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Teilelektrode 410p in einem gegenüberliegenden Bereich bei der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410C bereitgestellt, wobei sie zu dem anderen Bereich bei der Kathode isoliert ist. Der gegenüberliegende Bereich bei der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410C ist zu dem nicht-verengten Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e mit dem in dem Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel angeordneten Wasserstoffkonzentrationssensor 43e gegenüberliegend. Die zweite Zelle 40C weist zusätzlich einen Potenzialsensor 44 auf, um ein Teilpotenzial der Teilelektrode 410p oder ein lokales Kathodenpotenzial zu messen.
  • In dem Verlauf einer Leistungserzeugung mit dem Ausstoßventil 55 (siehe 1) in dem geschlossenen Zustand weist der nicht-verengte Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43C der zweiten Zelle 40C ein höheres Potenzial für eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases und für eine sich daraus ergebende relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration im Vergleich zu den Nuten 43d, die bei den Anodentrennelementen 43A der ersten Zellen 40A ausgebildet sind, auf, wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Die verkleinerte Wasserstoffkonzentration in diesem nicht-verengten stromabwärtsseitigen Bereich fuhrt zu einer Vergrößerung in einem lokalen Kathodenpotenzial in dem gegenüberliegenden Bereich, der zu dem nicht-verengten stromabwärtsseitigen Bereich über der Elektrodenmembran gegenüberliegt. Eine Messung des Kathodenpotenzials der Teilelektrode 410p durch den Potenzialsensor 44 erfasst indirekt eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration und eine Vergroßerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem Brennstoffzellenstapel 100.
  • C2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Die CPU der Steuerungseinheit 80 führt gelegentlich die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung im Verlauf einer Leistungserzeugung aus. Das Ausstoßventil 55 ist bei einem Start der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung geschlossen.
  • Die CPU empfängt einen Messwert des Teilpotenzials der Teilelektrode 410p von dem Potenzialsensor 44 (Schritt S200) und bestimmt, ob das gemessene Teilpotenzial auf oder über ein voreingestelltes Bezugspegel vergrößert ist (Schritt S210). Der Bezugspegel des Teilpotenzials wird beispielsweise auf eine obere Grenze eines Bereichs ohne Kohlenstoffoxidation eingestellt, bei dem die Katalysatorschicht der Kathode in der Membran-Elektroden-Einheit 410C keine Kohlenstoffoxidation durch die Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration aufweist.
  • Wenn das Teilpotenzial der Teilelektrode 410p, das in dem Schritt S200 empfangen wird, auf oder über den voreingestellten Bezugspegel vergrößert ist (Schritt S210: ja), schätzt die CPU eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases, das in dem Anodenabgas beinhaltet ist, und eine sich daraus ergebende übermäßige relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration ab. Die CPU öffnet dementsprechend das Ausstoßventil 55 (Schritt S220), um einen Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu ermöglichen. Wenn das Teilpotenzial der Teilelektrode 410p kleiner als der voreingestellte Bezugspegel ist (Schritt S210: nein), wird demgegenüber die Verarbeitung der Schritte S200 und S210 wiederholt.
  • Die CPU bestimmt dann, ob eine voreingestellte Ventilöffnungszeit seit dem Offnen des Ausstoßventils 55 abgelaufen ist (Schritt S230). Die Ventilöffnungszeit wird auf eine bestimmte Zeitdauer eingestellt, die für ein ausreichendes Ausstoßen des Verunreinigungsgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 erforderlich ist.
  • Nach Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit (Schritt S230: ja) schließt die CPU das Ausstoßventil 55 (Schritt S240), um den Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
  • Der Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels ermöglicht ebenso die effektive Verwendung von Wasserstoff als das Brennstoffgas und verhindert eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten 410C des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Kohlenstoffoxidation in dem Brennstoffzellensystem des Anodensackgassentyps 1000.
  • D. Drittes Ausführungsbeispiel
  • D1. Aufbau der Zelle und eines Leistungskollektors
  • 7 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht, die den Aufbau einer zweiten Zelle 40D gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch veranschaulicht. Wie die erste Zelle 40A, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, weist die zweite Zelle 40D gemäß dem dritten Ausfuhrungsbeispiel eine rechteckige Form auf und umfasst eine dichtungsintegrierte MEA 41D, die zwischen einem Kathodentrennelement 42D und einem Anodentrennelement 43D angeordnet ist. Die dichtungsintegrierte MEA 41D weist eine Membran-Elektroden-Einheit 410 auf, die durch ein (nicht gezeigtes) Dichtungsrahmenelement umgeben ist.
  • Die dichtungsintegrierte MEA 41D, das Kathodentrennelement 42D und das Anodentrennelement 43D der zweiten Zelle 40D weisen Durchgangslocher mit identischen Formen bei identischen Positionen im Vergleich zu denen auf, die in der dichtungsintegrierten MEA 41A, dem Kathodentrennelement 42A und dem Anodentrennelement 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind. Die dichtungsintegrierte MEA 41D und das Kathodentrennelement 42D der zweiten Zelle 40D sind identisch zu der dichtungsintegrierten MEA 41A und dem Kathodentrennelement 42A der ersten Zelle 40A. Das Anodentrennelement 43D gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist identisch zu dem Anodentrennelement 43C gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Anodentrennelement 43D gemäß dem dritten Ausfuhrungsbeispiel weist eine Nut 43Dd auf, die zwischen dem Durchgangsloch 43ai und dem Durchgangsloch 43ao auf einer zugehörigen Oberflache ausgebildet ist, die der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 gegenüberliegt, um eine gewundene Strömung von Wasserstoff über die gesamte Oberfläche der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410 zu bilden. Die Nut 43Dd weist ein Beschränkungselement 43e auf, das in einem Bereich bereitgestellt ist, der nahe zu dem stromabwärtsseitigen Durchgangsloch 43ao ist, um die Schnittfläche des Strömungskanals zu verengen.
  • In dem Aufbau gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die zweite Zelle 40D bei einem Ende des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet, das der Position entspricht, die benachbart zu dem Leistungskollektor 30a in dem in 1 gezeigten Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist. Der Brennstoffzellenstapel 100 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist einen Leistungskollektor 30Da auf, der einen Aufbau aufweist, der unterschiedlich ist zu dem des Leistungskollektors 30a gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 8 zeigt den schematischen Aufbau des Leistungskollektors 30Da gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. 8(a) ist eine Draufsicht des Leistungskollektors 30Da, die von der zweiten Zelle 40D gesehen wird, und 8(b) ist eine Schnittansicht, die der Linie A-A in 8(a) entnommen ist. Anschlüsse für ein Aufnehmen bzw. Sammeln des elektrischen Stroms sind in der Veranschaulichung gemäß 8(a) weggelassen.
  • Wie es in 8(a) gezeigt ist, weist der Leistungskollektor 30Da gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form auf und weist Durchgangslöcher 30ai, 30ci, 30ao und 30co bei Positionen auf, die den Durchgangslöchern zur Ausbildung des Wasserstoffzufuhrverteilers, denen zur Ausbildung des Luftzufuhrverteilers, denen zur Ausbildung des Anodenabgasauslassverteilers und denen zur Ausbildung des Kathodenabgasauslassverteilers in der dichtungsintegrierten MEA 41D, dem Kathodentrennelement 42D und dem Anodentrennelement 43D der zweiten Zelle 40D entsprechen. Der Leistungskollektor 30Da weist zusatzlich eine lokale Stromerfassungseinrichtung 300 bei einer spezifischen Position auf, die in Kontakt mit dem Anodentrennelement 43D ist und dem nicht-verengten Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43D entspricht. Die lokale Stromerfassungseinrichtung 300 erfasst einen Fluss eines lokalen Stroms, der in der Membran-Elektroden-Einheit 410 des nicht-verengten Bereichs erzeugt wird.
  • Die lokale Stromerfassungseinrichtung 300 umfasst eine lokale Strommessplatte 310, ein Isolationselement 320, ein Verbindungselement 330 und einen Stromsensor 340, wie es in 8(b) gezeigt ist. Die lokale Strommessplatte 310 ist zu dem umgebenden Bereich des Leistungskollektors 30Da mittels des Isolationselements 320 isoliert. Die Oberfläche der lokalen Strommessplatte 310 ist zu der Oberflache des Leistungskollektors 30Da eben, um es zu ermöglichen, dass sowohl der Leistungskollektor 30Da als auch die lokale Strommessplatte 310 in Kontakt mit dem Anodentrennelement 43D kommen. Die lokale Strommessplatte 310 ist mit dem umgebenden Bereich des Leistungskollektors 30Da mittels des Verbindungselements 330 verbunden. Der Stromssensor 340, der auf dem Verbindungselement 330 angeordnet ist, misst den lokalen Strom, der durch die lokale Strommessplatte 310 fließt.
  • Im Verlauf einer Leistungserzeugung mit dem Ausstoßventil 55 (siehe 1) in dem geschlossenen Zustand weist der nicht-verengte Bereich auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements 43e bei dem Anodentrennelement 43D der zweiten Zelle 40D ein höheres Potenzial für eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases und für eine sich daraus ergebende relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration im Vergleich zu den Nuten 43d, die bei den Anodentrennelementen 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind, auf, wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Die verkleinerte Wasserstoffkonzentration in diesem nicht-verengten stromabwärtsseitigen Bereich verursacht eine lokale Verkleinerung einer Große der Leistungserzeugung durch die Membran-Elektroden-Einheit 410 dieses nicht-verengten stromabwartsseitigen Bereichs und verkleinert den Fluss eines elektrischen Stromes in diesem lokalen Bereich. Eine Messung des lokalen Stroms, der in diesem lokalen Bereich fließt, der ein höheres Potenzial für eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration aufweist, durch den Stromsensor 340 der lokalen Stromerfassungseinrichtung 300 erfasst indirekt eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration und eine Vergroßerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem Brennstoffzellenstapel 100.
  • D2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Die CPU der Steuerungseinheit 80 führt gelegentlich die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung im Verlauf einer Leistungserzeugung aus. Das Ausstoßventil 55 ist bei einem Start der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung geschlossen.
  • Die CPU empfängt einen Messwert des Teilpotenzials des durch die lokale Strommessplatte 310 fließenden lokalen Stroms von dem Stromsensor 340 (Schritt S300) und bestimmt, ob der gemessene lokale Strom auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S310). Der Bezugspegel des lokalen Stroms wird beispielsweise auf eine untere Grenze eines Bereichs ohne Kohlenstoffoxidation eingestellt, bei dem die Katalysatorschicht der Kathode in der Membran-Elektroden-Einheit 410 keine Kohlenstoffoxidation durch die Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration aufweist.
  • Wenn der lokale Strom, der in dem Schritt S300 empfangen wird, auf oder unter den voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S310: ja), schätzt die CPU eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases, das in dem Anodenabgas beinhaltet ist, und eine sich daraus ergebende übermäßige relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration ab. Die CPU öffnet dementsprechend das Ausstoßventil 55 (Schritt S320), um einen Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu ermöglichen. Wenn der lokale Strom höher als der voreingestellte Bezugspegel ist (Schritt S310: nein), wird demgegenüber die Verarbeitung der Schritte S300 und S310 wiederholt.
  • Die CPU bestimmt dann, ob eine voreingestellte Ventilöffnungszeit seit dem Offnen des Ausstoßventils 55 abgelaufen ist (Schritt S330). Die Ventilöffnungszeit wird auf eine bestimmte Zeitdauer eingestellt, die für ein ausreichendes Ausstoßen des Verunreinigungsgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 erforderlich ist.
  • Nach Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit (Schritt S330: ja) schließt die CPU das Ausstoßventil 55 (Schritt S340), um den Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
  • Der Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels ermöglicht ebenso die effektive Verwendung von Wasserstoff als das Brennstoffgas und verhindert eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten 410 des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Kohlenstoffoxidation in dem Brennstoffzellensystem des Anodensackgassentyps 1000.
  • E. Viertes Ausführungsbeispiel
  • E1. Aufbau der Zelle
  • 10 zeigt den Aufbau eines Kathodentrennelements 42E, einer dichtungsintegrierten MEA 41E und eines Anodentrennelements 43E einer zweiten Zelle 40E gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie die erste Zelle 40A, die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, weist die zweite Zelle 40E gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form auf und umfasst die dichtungsintegrierte MEA 41E, die zwischen dem Kathodentrennelement 42E und dem Anodentrennelement 43E angeordnet ist.
  • 10(a) zeigt eine perspektivische Ansicht des Kathodentrennelements 42E, die von der dichtungsintegrierten MEA 41E gesehen wird. 10(b) zeigt eine perspektivische Ansicht der dichtungsintegrierten MEA 41E, die von dem Kathodentrennelement 42E gesehen wird. 10(c) zeigt eine perspektivische Ansicht des Anodentrennelements 43E, die von der dichtungsintegrierten MEA 41E gesehen wird.
  • Wie es veranschaulicht ist, weisen die dichtungsintegrierte MEA 41E, das Kathodentrennelement 42E und das Anodentrennelement 43E der zweiten Zelle 40E Durchgangslöcher mit identischen Formen bei identischen Positionen im Vergleich zu denen auf, die in der dichtungsintegrierten MEA 41A, dem Kathodentrennelement 42A und dem Anodentrennelement 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind.
  • Wie es deutlich in 10(b) gezeigt ist, weist die dichtungsintegrierte MEA 41E gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel einen vollstandig unterschiedlichen Aufbau im Vergleich zu denen der dichtungsintegrierten MEA 41B, 41C und 41D der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele auf. In der dichtungsintegrierten MEA 41E gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist eine Membran-Elektroden-Einheit 41E in einem verengten Bereich zwischen dem Durchgangsloch 41ai und dem Durchgangsloch 41ao bereitgestellt. Die dichtungsintegrierte MEA 41E weist ein leitendes Element 420, das beispielsweise aus einer Metallplatte hergestellt ist, im Wesentlichen bei einer zugehörigen Mitte auf, wo die Membran-Elektroden-Einheit 410 oder 410C in den ersten bis dritten Ausführungsbeispielen bereitgestellt ist.
  • Wie es in 10(c) gezeigt ist, weist das Anodentrennelement 43E eine Nut 43Ed auf, die zwischen dem Durchgangsloch 43ai und dem Durchgangsloch 43ao ausgebildet ist, um eine Strömung von Wasserstoff entlang der Oberfläche der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410E zu bilden. Die Nut 43Ed weist eine deutlich kürzere Strömungsweglänge als die Strömungsweglange der Nut 43d auf, die in der ersten Zelle 40A ausgebildet ist (siehe 2). Der Gasströmungsweg, der durch die Nut 43Ed in der zweiten Zelle 40E definiert ist, weist einen praktisch aquivalenten Druckverlust im Vergleich zu dem Druckverlust des Gasströmungsweges auf, der durch die Nut 43d der ersten Zelle 40A definiert ist.
  • Wie es in 10(a) gezeigt ist, weist das Kathodentrennelement 42E eine Nut 42Ed auf, die zwischen dem Durchgangsloch 42ci und dem Durchgangsloch 42co ausgebildet ist, um eine Stromung der Luft entlang der Oberfläche der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410E zu bilden.
  • Wie es in den 10(a) und 10(c) gezeigt ist, weisen das Kathodentrennelement 42E und das Anodentrennelement 43E jeweils ein Isolationselement 42i und ein Isolationselement 43i auf, um zu verhindern, dass ein elektrischer Strom, der durch die in der dichtungsintegrierten MEA 41E bereitgestellte Membran-Elektroden-Einheit 410E erzeugt wird, in das leitende Element 420 der dichtungsintegrierten MEA 41E oder in die erste Zelle 40A fließt, die benachbart zu der zweiten Zelle 40E ist.
  • 11 ist eine Schnittansicht der zweiten Zelle 40E, die der Linie B-B in 10(b) entnommen ist.
  • Wie es veranschaulicht ist, weist die in der dichtungsintegrierten MEA 41E bereitgestellte Membran-Elektroden-Einheit 410E eine Anodenkatalysatorschicht 412 und eine Anodengasdiffusionsschicht 414, die in dieser Abfolge auf einer anodenseitigen Oberfläche einer Elektrolytenmembran 411 ausgebildet sind, und eine Kathodenkatalysatorschicht 413 und eine Kathodengasdiffusionsschicht 415 auf, die in dieser Abfolge auf einer kathodenseitigen Oberfläche der Elektrolytmembran 411 ausgebildet sind. Die Membran-Elektroden-Einheit 410E erzeugt Elektrizität durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff, der durch die Nut 435d auf dem Anodentrennelement 43E zugeführt wird, und Sauerstoff in der Luft, die durch die Nut 42Ed auf dem Kathodentrennelement 42E zugeführt wird. Wie es vorstehend beschrieben ist, weisen das Kathodentrennelement 42E und das Anodentrennelement 43E jeweils die Isolationselemente 42i und 43i auf. Der in der Membran-Elektroden-Einheit 410E erzeugte elektrische Strom wird dementsprechend nicht in die benachbarte erste Zelle 40A oder in eine Last geleitet, die mit dem Brennstoffzellenstapel 100 verbunden ist. Ein Spannungssensor 45 ist mit der zweiten Zelle 40E verbunden, um eine Leerlaufspannung der zweiten Zelle 40E zu messen, wie es in 11 gezeigt ist.
  • Im Verlauf einer Leistungserzeugung mit dem Ausstoßventil 55 (siehe 1) in dem geschlossenen Zustand weist die Nut 43Ed auf dem Anodentrennelement 43E der zweiten Zelle 40E ein höheres Potenzial für eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration im Vergleich zu der Nut 43Ed auf, die bei den Anodentrennelementen 43A der ersten Zelle 40A ausgebildet sind. Die verkleinerte Wasserstoffkonzentration verringert die Leistungserzeugungsleistung durch die Membran-Elektroden-Einheit 410E. Eine Messung der Leerlaufspannung der zweiten Zelle 40E durch den Spannungssensor 45 erfasst eine Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration und eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases in dem Brennstoffzellenstapel 100 mit hoher Genauigkeit.
  • E2. Verunreinigungsgasausstoßsteuerung
  • 12 zeigt ein Flussdiagramm, das eine Abfolge einer Verunreinigungsgasausstoßsteuerung zeigt, die gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Die CPU der Steuerungseinheit 80 fuhrt gelegentlich die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung im Verlauf einer Leistungserzeugung aus. Das Ausstoßventil 55 ist bei einem Start der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung geschlossen.
  • Die CPU empfangt einen Messwert der Leerlaufspannung der zweiten Zelle 40E von dem Spannungssensor 45 (Schritt S400) und bestimmt, ob die gemessene Leerlaufspannung auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S410). Der Bezugspegel der Leerlaufspannung wird beispielsweise auf eine untere Grenze eines Bereichs ohne Kohlenstoffoxidation eingestellt, bei dem die Katalysatorschicht der Kathode in der Membran-Elektroden-Einheit 410E keine Kohlenstoffoxidation durch die Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration aufweist.
  • Wenn die Leerlaufspannung, die in dem Schritt S400 empfangen wird, auf oder unter den voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist (Schritt S210: ja), schätzt die CPU eine Vergrößerung der Konzentration des Verunreinigungsgases, das in dem Anodenabgas beinhaltet ist, und eine sich daraus ergebende übermäßige relative Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration ab. Die CPU öffnet dementsprechend das Ausstoßventil 55 (Schritt S420), um einen Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu ermöglichen. Wenn die Leerlaufspannung der zweiten Zelle 40E höher als der voreingestellte Bezugspegel ist (Schritt S410: nein), wird demgegenüber die Verarbeitung der Schritte S400 und S410 wiederholt.
  • Die CPU bestimmt dann, ob eine voreingestellte Ventilöffnungszeit seit dem Offnen des Ausstoßventils 55 abgelaufen ist (Schritt S430). Die Ventilöffnungszeit wird auf eine bestimmte Zeitdauer eingestellt, die für ein ausreichendes Ausstoßen des Verunreinigungsgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 erforderlich ist.
  • Nach Ablauf der voreingestellten Ventiloffnungszeit (Schritt S430: ja) schließt die CPU das Ausstoßventil 55 (Schritt S440), um den Ausstoß des das Verunreinigungsgas beinhaltenden Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 zu stoppen.
  • Der Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels ermöglicht ebenso die effektive Verwendung von Wasserstoff als das Brennstoffgas und verhindert eine Verschlechterung der Membran-Elektroden-Einheiten 410E des Brennstoffzellenstapels 100 durch eine Kohlenstoffoxidation in dem Brennstoffzellensystem des Anodensackgassentyps 1000.
  • F. Fünftes Ausführungsbeispiel
  • In den vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispielen ist die Grundbetriebsbedingung des Brennstoffzellensystems 100 der Sackgassenbetrieb in dem vollständig geschlossenen Zustand des Ausstoßventils 55. Die Grundbetriebsbedingung des Brennstoffzellensystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein kontinuierlicher niedriger Ausstoßbetrieb bei einem leicht geöffneten Zustand des Ausstoßventils 55.
  • Der kontinuierliche niedrige Ausstoßbetrieb hält im Wesentlichen das Brennstoffgas innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 wie in dem Sackgassenbetrieb. In dem Brennstoffzellensystem gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel wird das Öffnen des Ausstoßventils 55 reguliert, um ein kontinuierliches Ausstoßen mit einer im Vergleich zu der Verbrauchsgröße des Brennstoffgases in dem Brennstoffzellenstapel 100 extrem niedrigen Strömungsgeschwindigkeit des Anodenabgases aus dem Brennstoffzellensystem zu ermöglichen. Dieser kontinuierliche niedrige Ausstoßbetrieb stößt allmahlich die Verunreinigung, die in dem Anodenabgasauslassverteiler angesammelt ist, aus dem Brennstoffzellensystem aus und ermöglicht eine kontinuierliche Verschiebung der Verunreinigung von einem Anodengas-(Brennstoffgas)-Stromungsweg zu dem Anodenabgasauslassverteiler. Diese Anordnung hält in effektiver Art und Weise die Verunreinigungskonzentration in dem Anodengasströmungsweg auf einen ausreichend niedrigen Pegel.
  • G. Modifikationen
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind in jederlei Hinsicht als Veranschaulichung und nicht als Beschrankung zu betrachten. Es kann vielerlei Modifikationen, Änderungen und Umbildungen geben, ohne von dem Umfang der Haupteigenschaften der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Einige Beispiele möglicher Modifikationen sind nachstehend gegeben.
  • G1. Modifiziertes Beispiel 1
  • Die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel schließt das Ausstoßventil 55 bei Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit seit einer Öffnung des Ausstoßventils 55 in Schritt S130. Ein modifizierter Ablauf der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung kann den Wasserstoffkonzentrationssensor 43s steuern, um die Wasserstoffkonzentration nach einer Öffnung des Ausstoßventils 55 kontinuierlich zu überwachen und das Ausstoßventil 55 in Reaktion auf eine Wiederherstellung der Wasserstoffkonzentration auf oder uber eine voreingestellte Bezugswasserstoffkonzentration zu schließen.
  • Die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung gemäß dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel schließt das Ausstoßventil 55 bei Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit seit einem Öffnen des Ausstoßventils 55 in dem Schritt S230. Ein modifizierter Ablauf der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung kann den Potenzialsensor 44 steuern, um das Teilpotenzial der Teilelektrode 410p nach einem Offnen des Ausstoßventils 55 kontinuierlich zu Überwachen und das Ausstoßventil 55 in Reaktion auf eine Wiederherstellung des Teilpotenzials auf oder unter ein voreingestelltes Bezugspotenzial zu schließen.
  • Die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung gemäß dem dritten Ausfuhrungsbeispiel schließt das Ausstoßventil 55 bei Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit seit einem Öffnen des Ausstoßventils 55 in dem Schritt 330. Ein modifizierter Ablauf der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung kann den Stromsensor 430 steuern, um den lokalen Strom, der durch die lokale Strommessplatte 310 fließt, nach einem Offnen des Ausstoßventils 55 kontinuierlich zu uberwachen und das Ausstoßventil 55 in Reaktion auf eine Wiederherstellung des lokalen Stroms auf oder uber einen voreingestellten Bezugsstromwert zu schließen.
  • Die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung gemaß dem vierten Ausführungsbeispiel schließt das Ausstoßventil 55 bei Ablauf der voreingestellten Ventilöffnungszeit seit einem Offnen des Ausstoßventils 55 in dem Schritt S430. Ein modifizierter Ablauf der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung kann den Spannungssensor 45 steuern, um die Leerlaufspannung der zweiten Zelle 40E nach einem Öffnen des Ausstoßventils 55 kontinuierlich zu überwachen und das Ausstoßventil 55 in Reaktion auf eine Wiederherstellung der Leerlaufspannung auf oder über eine voreingestellte Bezugsspannung zu schließen.
  • G2. Modifiziertes Beispiel 2
  • In dem Aufbau gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist der Wasserstoffkonzentrationssensor 43s bei der zweiten Zelle 40B bereitgestellt. Die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung wird auf der Grundlage der Wasserstoffkonzentration ausgeführt, die durch den Wasserstoffkonzentrationssensor 43s gemessen wird. Der Wasserstoffkonzentrationssensor 43s ist jedoch nicht wesentlich. Eine mögliche Modifikation kann einen Stickstoffkonzentrationssensor zur Messung der Konzentration von Stickstoff als das Verunreinigungsgas anstelle des Wasserstoffkonzentrationssensors 43s verwenden. In diesem modifizierten Aufbau wird die Verunreinigungsgasausstoßsteuerung auf der Grundlage der Stickstoffkonzentration ausgeführt, die durch den Stickstoffkonzentrationssensor gemessen wird.
  • G3. Modifiziertes Beispiel 3
  • In dem Aufbau gemäß dem vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist die Teilelektrode 410p bei der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 410C bereitgestellt, wobei der Potenzialsensor 44 das Kathodenpotenzial der Teilelektrode 410p misst. Diese Anordnung ist jedoch nicht einschränkend. In einem modifizierten Aufbau ist die Teilelektrode bei der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 410C bei einer spezifischen Position bereitgestellt, die zu der Position der Teilelektrode 410p über der Elektrolytmembran gegenuberliegend ist, wobei ein Potenzialsensor das Anodenpotenzial der Teilelektrode misst. Der Grund hierfür ist, dass die Verkleinerung der Wasserstoffkonzentration bei der Anode das Anodenpotenzial ebenso wie das Kathodenpotenzial vergrößert.
  • G4. Modifiziertes Beispiel 4
  • In den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispielen ist das Beschränkungselement 43e auf der Stromabwärtsseite der Nut 43Bd, 43Cd oder 43Dd angeordnet, die in der zweiten Zelle 40B, 40C oder 40D ausgebildet sind. Diese Anordnung des Beschrankungselements 43e ist jedoch nicht einschränkend. Das Beschränkungselement 43e kann bei einer beliebigen Position in der Nut 43Bd, 43Cd oder 43Dd angeordnet sein.
  • G5. Modifiziertes Beispiel 5
  • In den vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispielen ist das Beschränkungselement 43e in einem Teil der Nut 43Bd, 43Cd oder 43Dd bereitgestellt, die in der zweiten Zelle 40, 40C oder 40D ausgebildet ist. Die Nut 43Bd, 43Cd oder 43Dd kann ausgebildet sein, um eine Schnittfläche des Strömungskanals uber den gesamten Bereich der Nut 43Bd, 43Cd oder 43Dd zu bilden, die kleiner als die Schnittfläche des Strömungskanals in der Nut 43d ist, die in der ersten Zelle 40A ausgebildet ist.
  • G6. Modifiziertes Beispiel 6
  • In den vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen weist der Brennstoffzellenstapel 100 lediglich eine zweite Zelle auf. Die Anzahl der zweiten Zelle ist jedoch nicht auf eine beschränkt, sondern kann mehrere zweite Zellen umfassen. In dem Brennstoffzellenstapel 100 mit mehreren zweiten Zellen bestimmt ein bevorzugter Ablauf der Verunreinigungsgasausstoßsteuerung die Ausstoßzeitsteuerung des Anodenabgases aus dem Brennstoffzellenstapel 100 auf der Grundlage der niedrigsten Konzentration des Brennstoffgases in der zweiten Zelle unter den mehreren zweiten Zellen.
  • G7. Modifiziertes Beispiel 7
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden der Wasserstoffströmungsweg und der Luftströmungsweg in jeder Zelle durch die Nuten definiert, die in dem Anodentrennelement und in dem Kathodentrennelement ausgebildet sind. Die Strömungswege von Wasserstoff und der Luft können alternativ hierzu durch elektrisch leitfahige poröse Körper anstelle einer Ausbildung der Nuten definiert sein.

Claims (6)

  1. Brennstoffzelle (100) mit einem Stapelaufbau aus mehreren Zellen (40, 40A, 40B), wobei jede der Zellen eine Membran-Elektroden-Einheit (41A, 41B) aufweist, die durch Integrieren einer Anode mit einer Kathode über einer spezifischen Elektrolytmembran erhalten wird und zwischen einem Paar von Trennelementen (42A, 42B, 43A, 43B) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (100) umfasst: einen Brennstoffgaszufuhrverteiler, der eine Zufuhrmenge eines Brennstoffgases zu den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) verteilt, und einen Anodenabgasauslassverteiler, der Strömungen von nicht verbrauchtem Brennstoffgas beinhaltenden Anodenabgas von den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) zu einer gemeinsamen Strömung des Anodenabgases sammelt und die gemeinsame Strömung des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (100) ausstößt, wobei jede der Zellen (40, 40A, 40B) einen Brennstoffgasströmungsweg aufweist, der eine Strömung des Brennstoffgases, das von dem Brennstoffgaszufuhrverteiler zugeführt wird, entlang einer Oberfläche der Anode bildet und eine Strömung des Anodenabgases in den Anodenabgasauslassverteiler bildet, wobei die mehreren Zellen (40, 40A, 40B) umfassen: eine erste Zelle (40A) mit einem ersten Brennstoffgasströmungsweg, und eine zweite Zelle (40B) mit einem zweiten Brennstoffgasströmungsweg, der unterschiedlich zu dem ersten Brennstoffgasströmungsweg ist, wobei die zweite Zelle (40B) mit einem Sensor (43s) versehen ist, der einen spezifischen Parameterwert misst, der die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg betrifft, wobei der zweite Brennstoffgasströmungsweg umfasst: ein Beschränkungselement (43e), das eine Schnittfläche eines Strömungskanals in einem Teil des zweiten Brennstoffgasströmungsweges verengt, und einen nicht-verengten Bereich, der zu dem Beschränkungselement (43e) unterschiedlich ist, wobei ein spezifischer Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) einen im Vergleich zu einem Druck in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg verkleinerten Druck aufweist, und der Sensor (43s) in dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) angeordnet ist.
  2. Brennstoffzelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (43s) ein Konzentrationssensor ist, der eine Konzentration des Brennstoffgases und/oder eine Konzentration eines vorbestimmten Gases, das zu dem Brennstoffgas unterschiedlich ist, als den spezifischen Parameterwert misst.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Sensor (43s) ein Potenzialsensor ist, der ein lokales Potenzial entweder der Anode oder der Kathode auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) als den spezifischen Parameterwert misst.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Stromsensor (340) ist, der einen elektrischen Strom erfasst, der in einem lokalen Bereich der Membran-Elektroden-Einheit erzeugt wird, der zu dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) gegenüberliegend ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1000) mit: der Brennstoffzelle (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, einer Auslassleitung (54), die mit dem Anodenabgasauslassverteiler verbunden ist, einem Ausstoßventil (55), das in der Auslassleitung (54) angeordnet ist, und einer Steuerungseinrichtung (80), die eine Ausstoßmenge des Ausstoßventils (55) steuert, wobei die Steuerungseinrichtung (80) (a) eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle (100) mit einer Zufuhr des Brennstoffgases und einer Zufuhr eines Oxidationsgases jeweils zu der Anode und zu der Kathode jeder Zelle (40, 40A, 40B) in einem beschränkten Zustand des Ausstoßventils (55) ermöglicht, (b) den Sensor (43s) steuert, um den spezifischen Parameterwert während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle zu messen, auf der Grundlage des spezifischen Parameterwerts, der durch den Sensor (43s) gemessen wird, (c) schätzt, ob eine Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist, und, wenn die Schätzung ergibt, dass die Konzentration des Brennstoffgases auf oder unter den voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist, (d) das Ausstoßventil (55) öffnet.
  6. Steuerungsverfahren eines Brennstoffzellensystems (1000), das eine Brennstoffzelle (100) umfasst, wobei die Brennstoffzelle einen Stapelaufbau aus mehreren Zellen (40, 40A, 40B) aufweist, wobei jede der Zellen (40, 40A, 40B) eine Membran-Elektroden-Einheit (41A, 41B) aufweist, die durch Integrieren einer Anode mit einer Kathode über einer spezifischen Elektrolytmembran erhalten wird und zwischen einem Paar von Trennelementen (42A, 42B, 43A, 43B) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (100) einen Brennstoffgaszufuhrverteiler, der eine Zufuhrmenge eines Brennstoffgases zu den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) verteilt, und einen Anodenabgasauslassverteiler aufweist, der Strömungen von nicht verbrauchtem Brennstoffgas beinhaltenden Anodenabgas von den Anoden der jeweiligen Zellen (40, 40A, 40B) zu einer gemeinsamen Strömung des Anodenabgases sammelt und die gemeinsame Strömung des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (100) ausstößt, wobei jede der Zellen einen Brennstoffgasströmungsweg aufweist, der eine Strömung des Brennstoffgases, das von dem Brennstoffgaszufuhrverteiler zugeführt wird, entlang einer Oberfläche der Anode bildet und eine Strömung des Anodenabgases in den Anodenabgasauslassverteiler bildet, wobei die mehreren Zellen (40, 40A, 40B) umfassen: eine erste Zelle (40A) mit einem ersten Brennstoffgasströmungsweg, und eine zweite Zelle (40B) mit einem zweiten Brennstoffgasströmungsweg, der unterschiedlich zu dem ersten Brennstoffgasströmungsweg ist, wobei die zweite Zelle (40B) mit einem Sensor (43s) versehen ist, der einen spezifischen Parameterwert misst, der die Verkleinerung der Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg betrifft, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: die Brennstoffzelle (40, 40A, 40B), eine Auslassleitung (54), die mit dem Anodenabgasauslassverteiler verbunden ist, und ein Ausstoßventil (55), das in der Auslassleitung (54) angeordnet ist, wobei das Steuerungsverfahren umfasst: (a) Ermöglichen einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle (100) mit einer Zufuhr des Brennstoffgases und einer Zufuhr eines Oxidationsgases jeweils zu der Anode und zu der Kathode jeder Zelle (40, 40A, 40B) in einem beschränkten Zustand des Ausstoßventils (55), (b) Steuern (S100; S200; S300; S400) des Sensors (43s), um den spezifischen Parameterwert während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle (100) zu messen, (c) Bestimmen (S110, S210; S310; S410), wenn eine Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg auf oder unter einen voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist, auf der Grundlage des gemessenen spezifischen Parameterwerts, und (d) Öffnen (S120; S220; S320; S420) des Ausstoßventils (55) bei einer Bestimmung in dem Schritt (c), dass die Konzentration des Brennstoffgases in dem zweiten Brennstoffgasströmungsweg auf oder unter den voreingestellten Bezugspegel verkleinert ist, wobei der zweite Brennstoffgasströmungsweg umfasst: ein Beschränkungselement (43e), das eine Schnittfläche eines Strömungskanals in einem Teil des zweiten Brennstoffgasströmungsweges verengt, und einen nicht-verengten Bereich, der zu dem Beschränkungselement (43e) unterschiedlich ist, wobei ein spezifischer Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) einen im Vergleich zu einem Druck in dem ersten Brennstoffgasströmungsweg verkleinerten Druck aufweist, und der Sensor (43s) in dem spezifischen Teil des nicht-verengten Bereichs auf der Stromabwärtsseite des Beschränkungselements (43e) angeordnet ist.
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