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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und genauer
auf ein Brennstoffzellensystem, das mit Anodengas arbeitet, das
in jeder Brennstoffzelle einbehalten wird, oder das arbeitet, während
kontinuierlich Anodenabgas mit einer sehr geringen Rate aus einem
geschlossenen Anodengasdurchlass ausgestoßen wird. Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Steuern solcher
Brennstoffzellensysteme.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
veröffentlichte japanische Übersetzung der PCT-Anmeldung
Nr. 08-500931 (
JP-T-08-500931 ),
die japanischen Patentanmeldungsveröffentlichungen Nr.
2005-32652 (
JP-A-2005-32652 ),
Nr. 2005-19331 (
JP-A-2005-19331 )
und Nr. 2005- 166498 (
JP-A-2005-166498 )
beschreiben zum Beispiel Brennstoffzellensysteme (Brennstoffzellensysteme der
Zirkulationsbauart), in denen Anodenabgas, das ein Anodengas ist,
das in den Brennstoffzellen genutzt worden ist, wieder in Umlauf
gebracht wird, um jeglichen nicht in Reaktion getretenen Wasserstoff, der
im Anodenabgas verbleibt, zu verwerten. In solchen Brennstoffzellensystemen
der Zirkulationsbauart wird zusammen mit dem Anodengas auch Stickstoff
zirkuliert, der durch die Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle
in die Anode eintritt, und dieser Stickstoff sammelt sich während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Zirkulationsdurchlass
des Anodengases. Folglich ist ein Austrittsventil vorgesehen, um
die Verdrängung von Stickstoff aus dem Zirkulationsdurchlass
zu erleichtern. Indem dieses Austrittsventil geeignet gesteuert
wird, kann somit Stickstoff, der sich im Zirkulationsdurchlass angesammelt
hat, ausgestoßen werden, so dass die Wasserstoffkonzentration
in dem Anodengas, das den Brennstoffzellen zugeführt wird,
wiederhergestellt wird.
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Da
sich Stickstoff in dem Zirkulationsdurchlass gleichmäßig
im Anodengas verteilt, wird jedoch zusammen mit dem Stickstoff auch
eine große Menge Wasserstoff ausgestoßen, falls
das Austrittsventil so betätigt wird, dass eine große
Menge Stickstoff ausgestoßen wird. Selbst wenn die Stromerzeugungseffizienz
des Brennstoffzellensystems erhöht wird, indem die Stickstoffkonzentration
im Anodengas verringert wird, führt der Wasserstoffschwund unmittelbar
zu einem Rückgang der Brennstoffwirtschaftlichkeit des
gesamten Systems. Es besteht also eine Grenze bezüglich
des Umfangs, mit dem sich die Stickstoffkonzentration in dem Anodengas verringern
lässt, weswegen diese Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz
begrenzt ist.
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Gleichzeitig
gibt es Brennstoffzellensysteme der Zirkulationsbauart, in denen
an jeder Brennstoffzelle unter Verwendung von Anodengas, das in
der der Brennstoffzelle einbehalten wird, Strom erzeugt wird und
der Brennstoffzelle zusätzliches Anodengas zugeführt
wird, um das zur Stromerzeugung genutzte Anodengas wieder aufzufüllen
(Brennstoffzellensysteme der Dead-End-Bauart). Des Weiteren sind Brennstoffzellensysteme
entwickelt worden, in denen an jeder Brennstoffzelle Strom erzeugt
wird, während Anodenabgas mit einer sehr geringen Rate
aus einem geschlossenen Anodengasdurchlass ausgestoßen
wird („mit kontinuierlichem Austritt geringer Rate arbeitende
Brennstoffzellensysteme”)
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Wie
in den Brennstoffzellensystemen der Zirkulationsbauart tritt auch
in den Brennstoffzellensystemen der Dead-End-Bauart und den mit
kontinuierlichem Austritt geringer Rate arbeitenden Brennstoffzellensystemen
Stickstoff durch die Elektrolytmembran in jeder Brennstoffzelle
in die Anode ein. Allerdings verteilt sich der Stickstoff, der durch
die Elektrolytmembran in die Anode eingetreten ist, in den Brennstoffzellensystemen
der Dead-End-Bauart und den mit kontinuierlichem Austritt geringer
Rate arbeitenden Brennstoffzellensystemen nicht gleichmäßig, sondern
sammelt sich auf der strömungsabwärtigen Seite
der Anode. Falls also das Austrittsventil in den Brennstoffzellensystemen
der Dead-End-Bauart geöffnet wird, nachdem sich eine ausreichende
Menge Stickstoff im strömungsabwärtigen Teil der
Anode gesammelt hat, wird einmalig eine große Menge Stickstoff
ausgestoßen, ohne Wasserstoff zu verschwenden. In den mit
kontinuierlichem Austritt geringer Rate arbeitenden Brennstoffzellensystemen
kann der Stickstoff, der sich am strömungsabwärtigen
Teil der Anode sammelt, indessen nach und nach aus dem geschlossenen
Anodengasdurchlass austreten. In den Brennstoffzellensystemen der Dead-End-Bauart
und den mit kontinuierlichem Austritt geringer Rate arbeitenden
Brennstoffzellensystemen kann die Stickstoffkonzentration im Anodengas
also niedrig gehalten werden, weswegen eine hohe Stromerzeugungseffizienz
erreicht werden kann.
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Die
Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle benötigt Wassermoleküle,
um den Wasserstoffionen zu ermöglichen, sich in ihnen zu
bewegen, weswegen die Elektrolytmembran nur dann eine hohe Wasserstoffionen-Leitfähigkeit
zeigt, wenn sie ausreichend feucht ist. Darum sinkt die Leitfähigkeit,
wenn die Elektrolytmembran aufgrund eines Feuchtigkeitsmangels in
der Brennstoffzelle unzureichend hydratisiert ist, was das Stromerzeugungsvermögen
der Brennstoffzelle deutlich verringert. Um ein hohes Stromerzeugungsvermögen
zu bewahren, ist es somit wichtig, das Innere jeder Brennstoffzelle
ausreichend feucht zu halten.
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An
der Kathodenseite jeder Brennstoffzelle wird durch Wasserstoffionen,
die sich von der Anode durch die Elektrolytmembran bewegt haben,
und Sauerstoff in dem Kathodengas Wasser erzeugt, und ein Teil dieses
Wassers bewegt sich durch die Elektrolytmembran zur Anode. Falls
sich dieses Wasser über die ganze Anode verteilen kann,
kann daher der gesamte Teil der Anode moderat hydratisiert werden.
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Falls
es in dem Anodengasdurchlass in jeder Brennstoffzelle eine Anodengasströmung
gibt, trägt die Anodengasströmung Wasser mit sich,
so dass es über die ganze Anode verteilt wird. Allerdings
ist die Anodengasströmung in dem Anodengasdurchlass im Fall
der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme der Dead-End-Bauart
und der mit kontinuierlichem Austritt geringer Rate arbeitenden Brennstoffzellensysteme
sehr schwach, wobei es insbesondere am strömungsabwärtigen
Teil der Anode keine Gasströmung gibt. In solchen Brennstoffzellensystemen kann
sich das Wasser somit nicht ausreichend in der Anode jeder Brennstoffzelle
verteilen, was dazu führt, dass die Anode ungleichmäßig
hydratisiert wird. Wenn einige Teile der Anode jeder Brennstoffzelle unzureichend
hydratisiert sind, finden an diesen Teilen der Anode die Anodenreaktionen
nicht ordnungsgemäß statt, was das Stromerzeugungsvermögen der
Brennstoffzelle verschlechtert und die Haltbarkeit der Elektrolytmembran
der Brennstoffzelle nachteilig beeinflusst.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Technologie für ein Brennstoffzellensystem,
das mit Anodengas arbeitet, das in jeder Brennstoffzelle einbehalten
wird, oder das arbeitet, während Anodenabgas mit einer
sehr geringen Rate aus einem geschlossenen Anodengasdurchlass ausgestoßen
wird, und das eine Verschlechterung des Stromerzeugungsvermögens
des Brennstoffzellensystems und eine Senkung der Haltbarkeit der
Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle verhindert, die durch Austrocknung
der Anode jeder Brennstoffzelle hervorgerufen werden können.
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Die
erste Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
mit einer Brennstoffzelle, einem Gaszufuhrdurchlass, über den
der Brennstoffzelle Anodengas zugeführt wird, und einem
Gasaustrittsdurchlass, über den Anodengas aus der Brennstoffzelle
austritt, wobei die Enden des Gasaustrittsdurchlasses im Wesentlichen
geschlossen sind. Das Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf:
einen Verbindungsdurchlass, über den der Gasaustrittsdurchlass
mit dem Gaszufuhrdurchlass in Verbindung steht; eine Verbindungszustand-Umschalteinrichtung
zum Umschalten des Verbindungszustands des Verbindungsdurchlasses zwischen
einem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand; eine Gasströmungseinrichtung
zum Hervorrufen einer Gasströmung von dem Gasaustrittsdurchlass
zu dem Gaszufuhrdurchlass, wenn der Verbindungsdurchlass offen ist;
und eine Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung zum Steuern des
Umschaltens des Verbindungszustands des Verbindungsdurchlasses durch
die Verbindungszustand-Umschalteinrichtung. Die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung
hält den Verbindungsdurchlass normalerweise in dem geschlossenen
Zustand und öffnet den Verbindungsdurchlass, wenn eine
vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, die mit dem Betriebszustand
der Brennstoffzelle in Beziehung steht.
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Gemäß dem
obigen Brennstoffzellensystem strömt das Anodengas von
dem Gasaustrittsdurchlass zu dem Gaszufuhrdurchlass, falls der Verbindungsdurchlass
offen ist, wodurch das Anodengas auch in die Brennstoffzelle strömt.
Wenn das Anodengas auf diese Weise in die Brennstoffzelle strömt, verteilt
sich Wasser über die ganze Anode der Brennstoffzelle, was
eine teilweise Dehydratisierung der Anode verhindert. Da das Anodengas,
das durch den Verbindungsdurchgang gegangen ist, der Brennstoffzelle
erneut zugeführt wird, wird außerdem kein Anodengas
verschwendet, und außerdem kann das Wasser, das durch das
Anodengas von der Brennstoffzelle fortgetragen wurde, zur Brennstoffzelle
zurückgeführt werden. Zudem wird der Verbindungsdurchlass
geschlossen, falls die vorbestimmte Bedingung nicht erfüllt
ist, was dem normalen Zustand des Verbindungsdurchlasses entspricht,
so dass das Brennstoffzellensystem den Betrieb fortsetzt, in dem es
in der Brennstoffzelle einbehaltenes Anodengas nutzt oder während
es das Anodenabgas mit einer sehr geringen Rate ausstößt,
wodurch eine hohe Stromerzeugungseffizienz erreicht wird.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann derart beschaffen
sein, dass: die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung eine Betriebsbereich-Feststellungseinrichtung
enthält, die dazu verwendet wird festzustellen, ob die
Last an der Brennstoffzelle unterhalb einer ersten Bezugslast liegt;
und die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung feststellt, dass
die vorbestimmte Bedingung erfüllt ist und den Verbindungsdurchlass öffnet,
wenn die Last an der Brennstoffzelle unter der ersten Bezugslast
liegt.
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Wenn
die Brennstoffzelle in einem Niedriglastbereich arbeitet, ist die
an der Kathode der Brennstoffzelle erzeugte Wassermenge verhältnismäßig
gering, während der Durchsatz des Kathodengases bezogen
auf die Last an der Brennstoffzelle verhältnismäßig
hoch ist. In diesem Fall nimmt daher die Wassermenge ab, die sich
zur Anode bewegt, und es erhöht sich die Wahrscheinlichkeit,
dass die Anode unzureichend hydratisiert wird. Gemäß dem oben
beschriebenen Aufbau wird jedoch zusammen mit dem Anodengas Wasser über
die ganze Anode verteilt, da das Anodengas zirkuliert wird, wenn
die Brennstoffzelle in dem Niedriglastbereich arbeitet, wodurch
verhindert werden kann, dass die jeweiligen Teile der Anode unzureichend
hydratisiert werden.
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Des
Weiteren kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem derart
beschaffen sein, dass: die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung
eine Hydratisierungsgrad-Feststellungseinrichtung zum Messen oder
Berechnen einer physikalischen Größe, die mit
dem Hydratisierungsgrad einer Anode der Brennstoffzelle in Beziehung
steht, und zum Feststellen, ob die gemessene oder berechnete physikalische
Größe angibt, dass der Hydratisierungsgrad der Anode
unter einem Bezugswert liegt, enthält; und die Verbindungs zustand-Steuerungseinrichtung
den Verbindungsdurchlass öffnet, falls die gemessene oder
berechnete physikalische Größe angibt, dass der
Hydratisierungsgrad der Anode unterhalb des Bezugswerts liegt.
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Gemäß dem
oben beschriebenen Aufbau wird das Anodengas zirkuliert, falls festgestellt
wird, dass die Anode unzureichend hydratisiert ist, wodurch von
der Anodengasströmung Wasser über die ganze Anode
verteilt wird.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die physikalische
Größe, die gemessen wird, die Abnahmerate der
Spannung der Brennstoffzelle sein, und die Hydratisierungsgrad-Feststellungseinrichtung
kann eine Einrichtung zum Messen der Abnahmerate der Spannung der
Brennstoffzelle enthalten.
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In
diesem Fall kann genau festgestellt werden, ob die Anode ausreichend
hydratisiert ist, indem auf die Abnahmerate der Spannung der Brennstoffzelle
Bezug genommen wird.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die physikalische
Größe, die gemessen wird, die Feuchtigkeit des
Anodengases in dem Gasaustrittsdurchlass sein, und die Hydratisierungsgrad-Feststellungseinrichtung
kann eine Einrichtung zum Messen der Feuchtigkeit des Anodengases
in dem Gasaustrittsdurchlass enthalten.
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In
diesem Fall kann genau festgestellt werden, ob die Anode ausreichend
hydratisiert ist, indem auf die Feuchtigkeit des Anodengases in
dem Gasaustrittsdurchlass Bezug genommen wird.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die physikalische
Größe, die gemessen wird, die Spannungs differenz
zwischen der Einlassseite und Auslassseite der Anode sein, und die Hydratisierungsgrad-Feststellungseinrichtung
kann eine Einrichtung zum Messen der Spannungsdifferenz enthalten.
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In
diesem Fall kann genau festgestellt werden, ob die Anode ausgetrocknet
ist, indem auf die Differenz zwischen der Spannung an der Einlassseite der
Anode der Brennstoffzelle und der Spannung an der Auslassseite der
Anode der Brennstoffzelle Bezug genommen wird.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die physikalische
Größe, die gemessen wird, die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle sein, und die Hydratisierungsgrad-Feststellungseinrichtung
kann eine Einrichtung zum Messen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
enthalten.
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In
diesem Fall kann genau festgestellt werden, ob die Anode ausreichend
hydratisiert ist, indem die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
berücksichtigt wird.
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In
dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem kann die Brennstoffzelle
außerdem so aufgebaut sein, dass die Gasströmungsrichtung
an der Anode der Brennstoffzelle und die Gasströmungsrichtung
an einer Kathode der Brennstoffzelle zueinander entgegengesetzt
sind.
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Da
die Gasströmungsrichtung an der Anode der Brennstoffzelle
und die Gasströmungsrichtung an der Kathode der Brennstoffzelle
gemäß dem oben beschriebenen Aufbau zueinander
entgegengesetzt sind, wird das Wasser, das sich von der Kathode durch
die Elektrolytmembran zur Anode bewegt hat, effizient über
die ganze Anode verteilt.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann außerdem
ein Gasaustrittsventil enthalten, das in dem Gasaustrittsdurchlass
vorgesehen ist, um eine Verbindung zwischen der strömungsaufwärtigen Seite
und der strömungsabwärtigen Seite des Gasaustrittsventils
zu unterbrechen oder zu begrenzen, und es kann derart beschaffen
sein, dass die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung den Verbindungsdurchlass
in dem geschlossenen Zustand hält oder die Gasströmung
in dem Verbindungsdurchlass begrenzt, wenn das Gasaustrittsventil
die Verbindung zwischen der strömungsaufwärtigen
Seite und der strömungsabwärtigen Seite des Gasaustrittsventils
weder unterbricht noch begrenzt.
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Gemäß dem
oben beschriebenen Aufbau ist es möglich, eine Abnahme
der Effizienz beim Ausstoß von Stickstoff zu verhindern,
zu der es kommen kann, wenn die Stickstoffkonzentration aufgrund
der Zirkulation des Anodengases gleichmäßig wird,
da die Zirkulation des Anodengases verhindert oder begrenzt wird,
wenn der sich in der Anode sammelnde Stickstoff durch Öffnen
des Gasaustrittventils ausgestoßen wird.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann außerdem
eine Anodengasdruck-Steuerungseinrichtung enthalten, um den Druck
des der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases niedriger zu
machen, wenn sich der Verbindungsdurchlass in dem offenen Zustand
befindet, als wenn sich der Verbindungsdurchlass in dem geschlossenen
Zustand befindet.
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Gemäß dem
oben beschriebenen Aufbau nimmt der Durchsatz des Anodengases in
der Brennstoffzelle zu, da der Druck des Anodengases beim Zirkulieren
des Anodengases verringert wird, was das Verteilen von Wasser in
der Anode erleichtert.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann außerdem
eine Kühlmitteldurchsatz-Steuerungseinrichtung enthalten,
um den Durchsatz eines Kühlmittels derart zu steuern, dass
die Temperatur an der Auslassseite der Anode um einen größeren
Betrag niedriger als an der Einlassseite der Anode ist, wenn sich
der Verbindungsdurchlass in dem offenen Zustand befindet, als wenn
sich der Verbindungsdurchlass in dem geschlossenen Zustand befindet.
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Gemäß dem
oben beschriebenen Aufbau wird die Feuchtigkeit an der Einlassseite
der Anode verringert, was dem Anodengas hilft, Wasser fortzutragen,
und die Feuchtigkeit an der Auslassseite der Anode wird erhöht,
was dabei hilft, die Auslassseite der Anode zu befeuchten, die leicht
zum Austrocknen neigt.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem kann derart beschaffen
sein, dass: die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung eine Betriebsbereich-Feststellungseinrichtung
zum Feststellen, ob die Last an der Brennstoffzelle höher
als eine zweite Bezugslast ist, enthält; und die Verbindungszustand-Steuerungseinrichtung
feststellt, dass die vorbestimmte Bedingung erfüllt worden
ist, und den Verbindungsdurchlass öffnet, falls die Last
an der Brennstoffzelle derzeit höher als die zweite Bezugslast
ist.
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Falls
die Brennstoffzelle unter einer hohen Last arbeitet, ohne das Anodengas
zu zirkulieren, tritt an einigen Abschnitten auf der strömungsabwärtigen Seite
des Anodengasdurchlasses ein Anodengasmangel auf, der die Katalysatoren
an diesen Abschnitten schwächen kann. Gemäß dem
oben beschriebenen Aufbau wird das Anodengas jedoch auch dann zirkuliert,
wenn die Last an der Brennstoffzelleneinheit hoch ist, und im Anodengasdurchlass gesammelter
Stickstoff wird in der Brennstoffzelle verteilt, wodurch ein lokaler
Anodengasmangel verhindert wird.
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Die
zweite Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Steuern eines Brennstoffzellensystems. Dieses Verfahren enthält die
Schritte: Feststellen des Betriebszustands einer Brennstoffzelle;
Zirkulieren von Anodengas, das aus einem Anodengas-Austrittsdurchlass
austritt, zurück zu einem Anodengas-Zufuhrdurchlass, indem
ein Verbindungsdurchlass geöffnet wird, über den
der Anodengas-Austrittsdurchlass mit dem Anodengas-Zufuhrdurchlass
in Verbindung steht, wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt
ist, die mit dem Betriebszustand der Brennstoffzelle in Beziehung
steht; und Schließen des Verbindungsdurchlasses, falls
die vorbestimmte Bedingung nicht erfüllt ist.
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Die
dritte Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
mit: einer Brennstoffzelle; einem Gaszufuhrdurchlass, über den
der Brennstoffzelle Anodengas zugeführt wird; einem Gasaustrittsdurchlass, über
den Anodengas aus der Brennstoffzelle austritt, wobei die Enden
des Gasaustrittsdurchlasses im Wesentlichen geschlossen sind; einem
Verbindungsdurchlass, über den der Gasaustrittsdurchlass
mit dem Gaszufuhrdurchlass in Verbindung steht; einer Unterbrechungsvorrichtung,
die in dem Verbindungsdurchlass vorgesehen ist und sich so betätigen
lässt, dass sie die Anodengasströmung unterbricht;
und einer Steuerungsvorrichtung, die: den Verbindungsdurchlass normalerweise
unter Verwendung der Unterbrechungsvorrichtung in einem geschlossenen
Zustand hält; feststellt, ob eine vorbestimmte Bedingung
erfüllt ist, die mit dem Betriebszustand der Brennstoffzelle
in Beziehung steht; und die Unterbrechungsvorrichtung so steuert,
dass sie den Verbindungsdurchlass öffnet, falls die vorbestimmte
Bedingung erfüllt ist.
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Die
vierte Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
mit: einer Brennstoffzelle; einem Gaszufuhrdurchlass, über den
der Brennstoffzelle Anodengas zugeführt wird; einem Gasaustrittsdurchlass, über
den Anodengas aus der Brennstoffzelle austritt, wobei die Enden
des Gasaustrittsdurchlasses im Wesentlichen geschlossen sind; einem
Verbindungsdurchlass, über den der Gasaustrittsdurchlass
mit dem Gaszufuhrdurchlass in Verbindung steht; einer Unterbrechungsvorrichtung,
die an dem Verbindungsdurchlass, einem Zusammenlaufpunkt zwischen
dem Verbindungsdurchlass und dem Gasaustrittsdurchlass und/oder
einem Zusammenlaufpunkt zwischen dem Verbindungsdurchlass und dem
Gaszufuhrdurchlass vorgesehen ist und sich so betätigen
lässt, dass sie die Anodengasströmung von dem
Gasaustrittsdurchlass zu dem Gaszufuhrdurchlass unterbricht; und
einer Steuerungsvorrichtung, die: feststellt, ob der Stromerzeugungszustand
der Brennstoffzelle anormal ist und/oder ob der Stromerzeugungszustand
der Brennstoffzelle anormal wird, und die Unterbrechungsvorrichtung
so steuert, dass sie dem Anodengas ermöglicht, von dem
Gasaustrittsdurchlass zu dem Gaszufuhrdurchlass zu strömen,
falls festgestellt wird, dass der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle
anormal ist oder dass der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle
anormal wird.
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Die
fünfte Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems. Dieses Verfahren
enthält die Schritte: Feststellen des Betriebszustands
einer Brennstoffzelle; Zirkulieren von Anodengas, das aus einem
Anodengas-Austrittsdurchlass austritt, zurück zu einem
Anodengas-Zufuhrdurchlass, indem ein Verbindungsdurchlass geöffnet
wird, über den der Anodengas-Austritts durchlass mit dem
Anodengas-Zufuhrdurchlass in Verbindung steht, wenn eine vorbestimmte
Bedingung erfüllt ist, die mit dem Betriebszustand der
Brennstoffzelle in Beziehung steht; Feststellen, ob der Stromerzeugungszustand
der Brennstoffzelle anormal ist und/oder ob der Stromerzeugungszustand
der Brennstoffzelle anormal wird; und Ermöglichen, dass
das Anodengas von dem Gasaustrittsdurchlass zu dem Gaszufuhrdurchlass strömt,
falls festgestellt wird, dass der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle
anormal ist oder dass der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle
anormal wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
gleiche Zahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen,
anhand der folgenden Beschreibung exemplarischer Ausführungsbeispiele
deutlicher, wobei:
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1 eine
schematische Ansicht des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß dem
ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist;
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2A und 2B schematische
Ansichten des Innenaufbaus jeder Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit
sind und Gasströmungen in der Brennstoffzelle darstellen;
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3 ein
Ablaufdiagramm ist, das eine Steuerungsroutine darstellt, die in
dem Brennstoffzellensystem des ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ausgeführt wird, um die Zirkulationspumpe ein- und auszuschalten;
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4 grafische
Darstellungen sind, die jeweils die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit und
die Kennlinie des Kathodenstöchiometriewerts bezüglich
der Stromabgabe der Brennstoffzelleneinheit darstellen;
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5A eine
schematische Ansicht der Verteilung der Wasserstoffkonzentration
in dem Anodengas-Durchlassabschnitt bei eingeschalteter Zirkulationspumpe
ist, und
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5B eine
schematische Ansicht der Verteilung der Wasserstoffkonzentration
in dem Anodengas-Durchlassabschnitt bei ausgeschalteter Zirkulationspumpe
ist;
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6 ein
Ablaufdiagramm ist, das eine Steuerungsroutine darstellt, die in
dem Brennstoffzellensystem des zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ausgeführt wird, um die Zirkulationspumpe ein- und auszuschalten;
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7 eine
grafische Darstellung ist, die die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit 2,
die erzielt wird, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 ordnungsgemäß befeuchtet
wird, und die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit 2 darstellt,
die erzielt wird, wenn die Anode ausgetrocknet ist;
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8 eine
grafische Darstellung ist, die darstellt, wie sich die Feuchtigkeit
des Anodenabgases ändert, wenn der Anoden-Dead-End-Betrieb
andauert;
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9 eine
grafische Darstellung ist, die darstellt, wie sich die Zellenspannung
am Einlassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts und die Zellenspannung
am Auslassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts während
des Anoden-Dead-End-Betriebs zeitlich ändern; und
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10 eine
Ansicht ist, die darstellt, wie die jeweiligen Gase und das Kühlmittel
in jeder Brennstoffzelle strömen, wenn die Zirkulationspumpe
eingeschaltet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 ist
eine schematische Ansicht des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem erzeugt unter Verwendung einer
Brennstoffzelleneinheit 2 elektrischen Strom und führt
den erzeugten elektrischen Strom verschiedenen elektrischen Lasten
zu, einschließlich einem Motor. Die Brennstoffzelleneinheit 2 ist
ein Brennstoffzellenstapel, der sich aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen
zusammensetzt, die aufeinander gestapelt sind. Jede Brennstoffzelle
setzt sich aus einer Membran-Elektrode-Einheit und einem Paar Sammelplatten
zusammen, die die Membran-Elektrode-Einheit von beiden Seiten bedecken
(nicht gezeigt). Die Membran-Elektrode-Einheit setzt sich aus einer
Festpolymer-Elektrolytmembran, Katalysatorelektroden, die mit dieser
eine Einheit bildend auf den beiden Seiten der Festpolymer-Elektrolytmembran vorgesehen
sind, und Gasdiffusionsschichten zusammen, die aus Kohlenstofflagen
usw. ausgebildet sind und mit dieser eine Einheit bildend auf den
beiden Seiten der Festpolymer-Elektrolytmembran vorgesehen sind.
Die Sammelplatten dienen jeweils auch als ein Separator, um die
nebeneinander liegenden Membran-Elektrode-Einheiten abzutrennen. Während
der Anode jeder Brennstoffzelle Wasserstoff (Brennstoffgas) zugeführt
wird, wird der Kathode Luft zugeführt, so dass elektrischer
Strom erzeugt wird.
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Mit
der Brennstoffzelleneinheit 2 ist ein Luft-Zufuhrdurchlass 20 verbunden,
und der Brennstoffzelleneinheit 2 wird über den
Luft-Zufuhrdurchlass 20 Luft zugeführt. In dem
Luft-Zufuhrdurchlass 20 ist eine Luftpumpe 22 vorgesehen.
Wenn die Luftpumpe 22 angetrieben wird, wird in den Luft-Zufuhrdurchlass 20 Luft
eingesaugt und dann der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt.
Die der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführte Luft
wird über einen in der Brennstoffzelleneinheit 2 vorgesehenen
Zufuhrverteiler auf die Kathoden der jeweiligen Brennstoffzellen
verteilt. Die Gase (Kathodengas), die durch die Kathoden der jeweiligen
Brennstoffzellen gegangen sind, laufen an einem in der Brennstoffzelleneinheit 2 vorgesehenen
Gasaustrittsverteiler zusammen und treten dann in einen Kathodengas-Austrittsdurchlass 24 aus.
In dem Kathodengas-Austrittsdurchlass 24 sind ein Hinterdruck-Einstellventil 26 und
eine Verdünnungsvorrichtung 28 vorgesehen. Das
strömungsabwärtige Ende des Kathodengas-Austrittsdurchlasses 24 ist
mit der Verdünnungsvorrichtung 28 verbunden.
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Mit
der Brennstoffzelleneinheit 2 ist ein Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 verbunden,
und der Brennstoffzelleneinheit 2 wird von einer Wasserstoff-Zufuhrquelle 4,
die ein Hochdruck-Wasserstofftank oder dergleichen sein kann, über
den Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 Wasserstoff zugeführt.
In dem Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 sind von der strömungsaufwärtigen
Seite aus in dieser Reihenfolge ein Absperrventil 10 und
ein variables Druckeinstellventil 8 vorgesehen. Am variablen
Druckeinstellventil 8 wird der Wasserstoffdruck auf einen
gewünschten Druck abgesenkt, und der Wasserstoff wird dann
der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt. Der der
Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführte Wasserstoff
wird über einen in der Brennstoffzelleneinheit 2 vorgesehenen
Zufuhrverteiler auf die Anoden der jeweiligen Brennstoffzellen verteilt.
Die Gase (Anodengas), die durch die Anoden der jeweiligen Brennstoffzellen
gegangen sind, laufen an einem in der Brennstoffzellen einheit 2 vorgesehenen
Austrittsverteiler zusammen und treten in einen Anodengas-Austrittsdurchlass 12 aus.
In dem Anodengas-Austrittsdurchlass 12 ist ein Austrittsventil 14 vorgesehen.
Das Austrittsventil 14 ist normalerweise geschlossen und wird
nur dann geöffnet, wenn eine vorbestimmte Bedingung (Spülbedingung)
erfüllt worden ist.
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Des
Weiteren hat das Brennstoffzellensystem des ersten exemplarischen
Ausführungsbeispiels einen Verbindungsdurchlass 30,
der den Anodengas-Austrittsdurchlass 12 mit dem Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 verbindet.
Genauer gesagt sind über den Verbindungsdurchlass 30 der
Abschnitt des Anodengas-Austrittsdurchlasses 12 stromaufwärts
von dem Austrittsventil 14 und der Abschnitt des Wasserstoff-Zufuhrdurchlasses 6 stromabwärts
von dem variablen Druckeinstellventil 8 miteinander verbunden.
In dem Verbindungsdurchlass 30 ist eine kleine Zirkulationspumpe 32 vorgesehen. Die
Pumpleistung der Zirkulationspumpe 32 reicht aus, um das
Anodengas gegen die Differenz des Gasdrucks in dem Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 und
des Gasdrucks in dem Anodengas-Austrittsdurchlass 12 von
dem Anodengas-Austrittsdurchlass 12 zu dem Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 zu
schicken. Eine ECU 50 steuert das variable Druckeinstellventil 8,
das Absperrventil 10, das Austrittsventil 14 und
die Zirkulationspumpe 32. Die Zirkulationspumpe 32 dient
als eine „Gasströmungseinrichtung” zum
Hervorrufen einer Gasströmung von der Anodengas-Austrittsdurchlassseite
zu der Wasserstoff-Zufuhrdurchlassseite, wenn der Verbindungsdurchlass 30 offen
ist, sowie als eine „Verbindungszustand-Umschalteinrichtung” zum
Umschalten des Zustands des Verbindungsdurchlasses 30 zwischen dem
geschlossenen Zustand und dem offenen Zustand. Die Zirkulationspumpe 32 ist
normalerweise abgeschaltet und wird nur dann betrieben, wenn eine vorbestimmte
Bedingung (Antriebsbedingung) erfüllt worden ist.
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2A und 2B sind
schematische Ansichten des Innenaufbaus jeder Brennstoffzelle in
der Brennstoffzelleneinheit 2 und stellen die Gasströmungen
in jeder Brennstoffzelle dar. 2A stellt dar,
wie die jeweiligen Gase in jeder Brennstoffzelle strömen,
wenn die Zirkulationspumpe 32 (im normalen Zustand) ausgeschaltet
ist, und 2B stellt dar, wie die jeweiligen
Gase in jeder Brennstoffzelle strömen, wenn die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet ist.
In diesen Figuren sind die Sammelplatten und Verteiler nicht gezeigt.
In der folgenden Beschreibung wird sowohl auf 2A und 2B als
auch auf 1 Bezug genommen.
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Wie
in 2A und 2B gezeigt
ist, sind in jeder Brennstoffzelle entlang der jeweiligen Gasdiffusionsschichten 42, 44,
die die Membran-Elektrode-Einheit 40 von beiden Seiten
bedecken, Gasdurchlassabschnitte 46, 48 ausgebildet.
Der Gasdurchlassabschnitt 46 dient als ein Kathodengas-Durchlassabschnitt,
durch den der Kathode Luft zugeführt wird, und der Gasdurchlassabschnitt 48 dient
als ein Anodengas-Durchlassabschnitt, durch den der Anode Wasserstoff
zugeführt wird. Demnach ist jede Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 2 so
aufgebaut, dass das Gas in dem Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 und
das Gas in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 in entgegengesetzten Richtungen
strömen. Der Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 und
der Anodengas-Durchlassabschnitt 48 können in
einer beliebigen Form ausgestaltet sein und einen beliebigen Aufbau
haben, solange das Gas in dem Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 und das
Gas in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 in den entgegengesetzten
Richtungen strömen. Zum Beispiel können in den
Oberflächen der jeweiligen Sammelplatten (Separatoren)
Nute ausgebildet sein und jeweils als der Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 und
der Anodengas-Durchlassabschnitt 48 verwendet werden. Alternativ
können zwischen den Sammelplatten und der Membran-Elektrode-Einheit 40 poröse
Schichten vorgesehen sein, die aus leitenden Materialien bestehen,
und als die Gasdurchlassabschnitte 46, 48 verwendet
werden.
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Wenn
die Zirkulationspumpe 32 wie in 2A (im
normalen Zustand) ausgeschaltet ist, bleibt das Anodengas in dem
Anodengas-Durchlassabschnitt 48, solange das Austrittsventil 14 geschlossen
ist. Während dieses Betriebs (der gegebenenfalls als „Anoden-Dead-End-Betrieb” bezeichnet wird)
wird der Wasserstoff, der der Brennstoffzelleneinheit 2 zugeführt
wird, effektiv genutzt.
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Während
des oben beschriebenen Anoden-Dead-End-Betriebs strömt
allerdings fast kein Gas, insbesondere nicht auf der strömungsabwärtigen
Seite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48. Ein Teil des
durch die Stromerzeugungsreaktionen erzeugten Wassers tritt von
dem Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 durch das Innere
der Membran-Elektrode-Einheit 40 in den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 ein.
Wenn die Gasströmung in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 schwach
ist, wird das Wasser jedoch nicht über die ganze Anode
der Membran-Elektrode-Einheit 40 verteilt, was dazu führt,
dass die Anode ungleichmäßig hydratisiert wird.
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Wenn
die Zirkulationspumpe 32 andererseits wie in 2B eingeschaltet
ist, ist der Verbindungsdurchlass 30 offen und strömt
das Anodengas somit von dem Anodengas-Austrittsdurchlass 12 zu
dem Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6. In diesem Zustand strömt
das Anodengas auch in den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 jeder
Brennstoffzelle, wobei diese Anodengasströmung das Wasser
verteilt, wie in 2B gezeigt ist. Vom strömungsabwärtigen Abschnitt
des Kathodengas-Durchlassabschnitts 46 bewegt sich eine
verhältnismäßig große Wassermenge
zum Anodengas-Durchlassabschnitt 48. Falls jede Brennstoffzelle
derart aufgebaut ist, dass das Anodengas und das Kathodengas in
den entgegengesetzten Richtungen strömen, wird daher das
Wasser, das von dem Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 in
den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 eingetreten ist, effizient über
den ganzen Bereich des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 verteilt.
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Wenn
die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet ist, erfolgt also
der Anoden-Dead-End-Betrieb, der der Brennstoffzelle wie oben beschrieben
ermöglicht, effizient zu arbeiten. Wenn die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet
ist, wird das Anodengas zudem dazu gebracht, in den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 zu
strömen, wodurch das Wasser über die ganze Anode
verteilt wird, was ein teilweises Austrocknen der Anode verhindert.
Indem die Zirkulationspumpe 32 passend ein- und ausgeschaltet
wird, kann der Anoden-Dead-End-Betrieb, der wie zuvor erwähnt
für eine höhere Stromerzeugungseffizienz sorgt,
fortgesetzt werden, während ein Austrocknen der Anode jeder
Brennstoffzelle verhindert wird, was ansonsten zu einer Verschlechterung
des Stromerzeugungsvermögens des Brennstoffzellensystems
führen würde. Im Folgenden wird unter Bezugnahme
auf 3 ausführlich ein Verfahren zum Steuern
der Zirkulationspumpe 32 beschrieben. 3 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Steuerungsroutine darstellt, die in dem
Brennstoffzellensystem des ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ausgeführt wird, um die Zirkulationspumpe 32 ein-
und auszuschalten. Die Steuerungsroutine wird von der ECU 50 ausgeführt.
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Nach
dem Start der in 3 gezeigten Steuerungsroutine
stellt die ECU 50 zunächst im Schritt S100 fest,
ob die Brennstoffzelleneinheit 2 gerade in einem vorbestimmten
Niedriglastbereich arbeitet. Die Last an der Brennstoffzelleneinheit 2 wird
anhand der Stromabgabe der Brennstoffzelleneinheit 2 festgestellt.
Die Stromabgabe der Brennstoffzelleneinheit 2 wird unter
Verwendung eines Strommessers gemessen, der nicht in den Zeichnungen
gezeigt ist. Alternativ kann anhand der elektrischen Last am Motor usw.
der Strom bestimmt werden, der von der Brennstoffzelleneinheit 2 abgegeben
werden muss. Die obere Kurve in 4 stellt
die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit 2 dar. Wie
in dieser Kurve angegeben ist, ist der Niedriglastbereich auf den
Bereich eingestellt, in dem der Stromabgabewert I kleiner als ein
Bezugswert I0 ist.
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Je
größer der Stromabgabewert I ist, das heißt
je höher die Last an der Brennstoffzelleneinheit 2 ist,
um so größer ist die Wassermenge, die durch die
Stromerzeugungsreaktion in der Brennstoffzelleneinheit 2 erzeugt
wird. Dagegen ist die durch die Stromerzeugungsreaktionen erzeugte
Wassermenge in einem Niedriglastbereich, in dem der Stromabgabewert
I klein ist, verhältnismäßig gering,
und das Verhältnis des Durchsatzes des Katodengases zum
Stromabgabewert I (das als „Kathodenstöchiometriewert
CAst” bezeichnet wird) ist, wie in der unteren Kurve in 4 gezeigt
ist, verhältnismäßig groß. Dadurch
nimmt die Menge des Wassers ab, die sich vom Katodengasdurchlassabschnitt 46 zum
Anodengas-Durchlassabschnitt 48 bewegt, weswegen die Wahrscheinlichkeit
zunimmt, dass die Anode austrocknet. Dabei ist zu beachten, dass
der Bezugswert I auf ein Niveau eingestellt wird, bei dem oder um
das herum sich der Kathodenstöchiometriewert CAst scharf ändert.
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Falls
im Schritt S100 festgestellt wird, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 derzeit
nicht im Niedriglastbereich arbeitet, führt die ECU 50 den
Prozess von Schritt S106 aus, so dass die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet
bleibt. In diesem Fall wird daher im Brennstoffzellensystem bei
ausgeschalteter Zirkulationspumpe 32 und geschlossenem
Austrittsventil 14 der Anoden-Dead-End-Betrieb durchgeführt.
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Falls
andererseits im Schritt S100 festgestellt wird, dass die Brennstoffzelleneinheit 2 derzeit im
Niedriglastbereich arbeitet, fährt die ECU 50 mit Schritt
S202 fort und stellt fest, ob gerade eine Anodenspülung
erfolgt. Die Anodenspülung ist ein Prozess, bei dem das
Austrittsventil 14 geöffnet wird, damit das Anodengas
aus dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 austritt. Vom Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 tritt
durch die Membran-Elektrode-Einheit 40 Stickstoff in den
Anodengas-Durchlassabschnitt 48 ein und sammelt sich im
Anodengas-Durchlassabschnitt 48, und dieser Stickstoff
wird während der Anodenspülung zusammen mit dem
Anodengas ausgestoßen, was eine übermäßige
Ansammlung von Stickstoff verhindert, die andernfalls verschiedene
Probleme hervorrufen würde, einschließlich eines
Spannungsabfalls.
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5A ist
eine schematische Ansicht der Verteilung der Wasserstoffkonzentration
in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48, wenn die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet
ist, und 5B ist eine Ansicht, die schematisch
die Verteilung der Wasserstoffkonzentration in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 zeigt,
wenn die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet ist. Wenn die
Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet ist, verteilt sich der
Stickstoff in dem Anodengas, während das Anodengas zirkuliert.
Wenn die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet ist, verteilt
sich die Wasserstoffkonzentration in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 somit
tendenziell, wie in 5A gezeigt ist. Falls dagegen
die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet ist, strömt
im Wesentlichen kein Anodengas in den Anodengas-Durchlassabschnitt 48,
und es sammelt sich daher Stickstoff in dem strömungsabwärtigen
Abschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48. Wenn die
Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet ist, verteilt sich die
Wasserstoffkonzentration somit tendenziell, wie in 5B gezeigt
ist. Im Hinblick auf die Effizienz beim Stickstoffausstoß unter
gleichzeitiger Vermeidung eines unnötigen Austritts von
Wasserstoff wird die in 5B gezeigte
Verteilung der Wasserstoffkonzentration bevorzugt.
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Falls
im Schritt S102 festgestellt wird, dass gerade die Anodenspülung
erfolgt, führt die ECU 50 aus dem oben beschriebenen
Grund den Prozess von Schritt S106 aus, so dass die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet
bleibt. Auf diese Weise ist es möglich, eine Abnahme der
Effizienz beim Stickstoffausstoß zu verhindern, zu der
es kommen kann, wenn die Wasserstoffkonzentration augrund der Zirkulation des
Anodengases gleichmäßig wird.
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Falls
im Schritt S102 festgestellt wird, dass gerade nicht die Anodenspülung
erfolgt, führt die ECU 50 den Prozess von Schritt
S104 aus, so dass die Zirkulationspumpe 32 aktiviert wird.
Die Zirkulationspumpe 32 bringt das Anodengas in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 also
dazu zu strömen, so dass zusammen mit dem Anodengas Wasser über die
ganze Anode verteilt wird. Gemäß dieser Steuerung
ist es auch dann möglich, ein teilweises Austrocknen der
Anode jeder Brennstoffzelle zu verhindern, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 gerade
in einem Niedriglastbereich arbeitet, in dem die Anode jeder Brennstoffzelle
leicht zum Austrocknen neigt. Da das Anodengas, nachdem es durch
den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 gegangen ist, zu dem
Anodengas-Durchlassabschnitt 48 zurück zirkuliert wird,
wird das Anodengas nicht verschwendet, und das aus dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 fortgetragene
Wasser kann zusammen mit dem Anodengas zum Anodengas-Durchlassabschnitt 48 zurückgeführt
werden.
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Indem
die Zirkulationspumpe 32 gemäß der oben
beschriebenen Steuerungsroutine ein- und ausgeschaltet wird, ist
es sogar dann, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 gerade
in einem Niedriglastbereich arbeitet, möglich, ein teilweises
Austrocknen der Anode jeder Brennstoffzelle zu verhindern, was andernfalls
das Stromerzeugungsvermögen der Brennstoffzelleneinheit 2 verschlechtern
und die Haltbarkeit der Elektrolytmembran verringern würde.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von
dem Brennstoffzellensystem des ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels
hinsichtlich der Steuerung zum Ein- und Ausschalten der Zirkulationspumpe 32.
Das Brennstoffzellensystem des zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ist wie in 1, 2A und 2B gezeigt
aufgebaut, und die ECU 50 führt die in dem Ablaufdiagramm
von 6 dargestellte Steuerungsroutine aus, gemäß der
die Zirkulationspumpe 32 ein- und ausgeschaltet wird. In
der in 6 gezeigten Steuerungsroutine, sind die Prozesse,
die mit denen der in 3 gezeigten Steuerungsroutine
identisch sind, mit den gleichen Schrittzahlen bezeichnet worden.
Im Folgenden werden lediglich die Prozesse ausführlich
beschrieben, die auf das Brennstoffzellensystem des zweiten exemplarischen
Ausführungsbeispiels zugeschnitten sind, während
die Prozesse, die mit denen des ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels identisch
sind, nur kurz beschrieben werden oder gar nicht beschrieben werden.
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Nach
dem Start der in 6 gezeigten Steuerungsroutine
berechnet die ECU 50 zunächst im Schritt S200
die Abnahmerate der Spannung der Brennstoffzelleneinheit 2. 7 stellt
die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelleneinheit 2 dar. In 7 ist
die I-V-Kennlinie, die erzielt wird, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 angemessen
hydratisiert ist, mit der durchgehenden Linie angeben, während
die I-V-Kennlinie, die erzielt wird, wenn die Anode unzureichend
hydratisiert ist, mit der gestrichelten Linie angegeben ist. Wie
in 7 angegeben ist, nimmt die Ausgangsspannung der
Brennstoffzelleneinheit 2 mit abnehmendem Hydratisierungsgrad
der Anode jeder Brennstoffzelle ab. Darüber hinaus nimmt
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelleneinheit 2 mit einer
höheren Rate ab, wenn von der Anode jeder Brennstoffzelle
mehr unzureichend hydratisiert ist. Die Abnahmerate der Spannung
der Brennstoffzelleneinheit 2 (1 – derzeitige
Spannung/Spannung, die erzielt wird, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 ordnungsgemäß befeuchtet
ist × 100) kann als eine physikalische Größe
verwendet werden, die mit dem Hydratisierungsgrad der Anode jeder
Brennstoffzelle in Beziehung steht, und der Hydratisierungsgrad
der Anode kann daher in einem Wert ausgedrückt werden,
indem die Abnahmerate der Spannung der Brennstoffzelleneinheit 2 berechnet
wird.
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Anschließend
vergleicht die ECU 50 im Schritt S202 die im Schritt S200
berechnete Spannungsabnahmerate mit einem vorbestimmten Bezugswert.
Das heißt, dass die ECU 50 in diesem Schritt feststellt,
ob die Spannungsabnahmerate den Bezugswert übersteigt.
Wenn die Anode jeder Brennstoffzelle unzureichend hydratisiert ist,
das heißt wenn die Spannungsabnahmerate den Bezugswert übersteigt,
muss sich die Anode vom ausgetrockneten Zustand erholen sowie an
einem weiteren Austrocknen gehindert werden. Das heißt,
dass der Bezugswert der Wert ist, auf dessen Grundlage festgestellt
wird, ob ausgehend von dem ausgetrockneten Zustand der Prozess zum
erneuten Hydratisieren der Anode ausgeführt werden soll.
Mit anderen Worten wird der Bezugswert verwendet, um festzustellen,
ob unter Verwendung der Zirkulationspumpe 32 das Anodengas
zirkuliert werden soll.
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Falls
im Schritt S202 festgestellt wird, dass die Spannungsabnahmerate
gleich dem Bezugswert ist oder unter diesem liegt, führt
die ECU 50 den Prozess von Schritt S106 aus, so dass die
Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet bleibt. In diesem Fall
wird daher in dem Brennstoffzellensystem der Anoden-Dead-End-Betrieb
durchgeführt.
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Falls
andererseits im Schritt S202 festgestellt wird, dass die Spannungsabnahmerate
den Bezugswert übersteigt, dann fährt die ECU 50 mit Schritt
S102 fort und stellt fest, ob gerade die Anodenspülung
erfolgt. Falls gerade die Anodenspülung erfolgt, führt
die ECU 50 den Prozess von Schritt S106 aus, so dass die
Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet bleibt.
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Falls
dagegen im Schritt S102 festgestellt wird, dass gerade nicht die
Anodenspülung erfolgt, führt die ECU 50 den
Prozess von Schritt S104 aus, so dass die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet
wird. Die Zirkulationspumpe 32 bringt das Anodengas in dem
Anodengas-Durchlassabschnitt 48 also dazu zu strömen,
so dass zusammen mit dem Anodengas Wasser über die ganze
Anode jeder Brennstoffzelle verteilt wird.
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Indem
also die Zirkulationspumpe 32 gemäß der
oben beschriebenen Steuerungsroutine ein- und ausgeschaltet wird,
ist es also selbst dann, wenn die Anode aufgrund des Anoden-Dead-End-Betriebs
unzureichend hydratisiert wird, möglich, die Anode jeder
Brennstoffzelle umgehend erneut zu hydratisieren und sie an einem
weiteren Austrocknen zu hindern. Es ist somit möglich,
eine Verschlechterung des Stromerzeugungsvermögens der
Brennstoffzelleneinheit 2 und eine Verringerung der Haltbarkeit
der Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle zu verhindern, wozu
es andernfalls durch das Austrocknen der Anode jeder Brennstoffzelle
käme.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das gleiche wie das
Brennstoffzellensystem des zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels,
ausgenommen dass der Hydratisierungsgrad der Anode jeder Brennstoffzelle
während der Ausführung der Steuerung zum Ein-
und Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 mit dem unten
beschriebenen Verfahren festgestellt wird.
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Wenn
ein Teil der Anode einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 2 unzureichend
hydratisiert ist, absorbiert dieser Teil die in dem Anodengas enthaltene
Feuchtigkeit, so dass die Feuchtigkeit des Anodengases (Anodenabgases),
das durch den Anodengas-Durchlassabschnitt 48 gegangen
ist, entsprechend abnimmt. 8 stellt
dar, wie sich die Feuchtigkeit des Anodenabgases ändert,
wenn der Anoden-Dead-End-Betrieb andauert. Die Feuchtigkeit des
Anodenabgases nimmt wie in 8 allmählich
ab, wenn die Hydratisierung der Anode während des Anoden-Dead-End-Betriebs
abnimmt. Die Feuchtigkeit des Anodenabgases kann also als eine physikalische
Größe verwendet werden, die mit dem Hydratisierungsgrad
der Anode in Beziehung steht, und der Hydratisierungsgrad der Anode
kann durch Messen der Feuchtigkeit des Anodenabgases genau festgestellt
werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem des dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ist im Anodengas-Austrittsdurchlass 12 ein Hygrometer H
oder ein Taupunktmessgerät vorgesehen, um die Feuchtigkeit des
Anodenabgases zu erfassen, und die Zirkulationspumpe 32 wird
beruhend auf dem Vergleichsergebnis zwischen der erfassten Feuchtigkeit
und einem vorbestimmten Bezugswert ein- und ausgeschaltet. In den
Zeichnungen ist zwar kein Ablaufdiagramm für diese Steuerung
enthalten, doch wird die Zirkulationspumpe 32 im Einzelnen
im abgeschalteten Zustand gehalten, falls die erfasste Feuchtigkeit gleich
dem Bezugswert ist oder unter diesem liegt, und die Zirkulationspumpe 32 wird
aktiviert, falls die erfasste Feuchtigkeit den Bezugswert übersteigt
und gerade nicht die Anodenspülung erfolgt. Indem die Zirkulationspumpe 32 auf
diese Weiße ein- und ausgeschaltet wird, kann die Anode
jeder Brennstoffzelle selbst dann, wenn die Anode durch den Anoden-Dead-End-Betrieb
unzureichend hydratisiert wird, an einem weiteren Austrocknen gehindert
und umgehend erneut hydratisiert werden.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß dem vierten exemplarischen
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das gleiche wie das
Brennstoffzellensystem des zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels,
ausgenommen dass der Hydratisierungsgrad der Anode während
der Ausführung der Steuerung zum Ein- und Ausschalten der
Zirkulationspumpe 32 mit dem unten beschriebenen Verfahren
festgestellt wird.
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Während
des Anoden-Dead-End-Betriebs ist es wahrscheinlicher, dass das Austrocknen
der Anode an einer Stelle stattfindet, die dem strömungsaufwärtigen
Abschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 entspricht,
als dass es an einem Stelle stattfindet, die dem strömungsabwärtigen
Abschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 entspricht. Der
Innenwiderstand des ausgetrockneten Abschnitts der Anode ist verhältnismäßig
hoch, was zu einem Spannungsabfall führt. 9 stellt
dar, wie sich die Zellenspannung am Einlassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 (In)
und die Zellenspannung am Auslassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 (Out)
während des Anoden-Dead-End-Betriebs zeitlich ändern.
Die Differenz zwischen der Spannung am Einlassabschnitt und der
Spannung am Auslassabschnitt nimmt, während der Anoden-Dead-End-Betrieb
andauert, wie in 9 mit abnehmender Hydratisierung
der Anode zu. Die Spannungsdifferenz zwischen dem Einlassabschnitt
und dem Auslassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 kann
also als eine physikalische Größe verwendet werden,
die mit dem Hydratisierungsgrad der Anode in Beziehung steht, und der
Hydratisierungsgrad der Anode kann daher durch Erfassen der Spannungsdifferenz
genau festgestellt werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem des vierten exemplarischen Ausführungsbeispiels
sind am Einlassabschnitt und am Auslassabschnitt des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 jeweils
Spannungsüberwachungsvorrichtungen V1 und V2 vorgesehen,
und die Spannungsdifferenz zwischen dem Einlassabschnitt und dem
Auslassabschnitt wird unter Verwendung der Spannungsüberwachungsvorrichtungen
V1 und V2 erfasst, wobei die Zirkulationspumpe 32 auf Grundlage
des Vergleichsergebnisses zwischen der erfassten Spannungsdifferenz
und einem vorbestimmten Bezugswert ein- und ausgeschaltet wird.
In den Zeichnungen ist zwar kein Ablaufdiagramm für diese
Steuerung enthalten, doch bleibt die Zirkulationspumpe 32 im
Einzelnen ausgeschaltet, falls die erfasste Spannungsdifferenz gleich
dem Bezugswert ist oder unter diesem liegt, und die Zirkulationspumpe 32 wird
aktiviert, falls die erfasste Spannungsdifferenz den Bezugswert übersteigt
und gerade nicht die Anodenspülung erfolgt. Indem die Zirkulationspumpe 32 auf
diese Weise ein- und ausgeschaltet wird, ist es somit selbst dann,
wenn die Anode aufgrund des Anoden-Dead-End-Betriebs unzureichend
hydratisiert wird, möglich, die Anode an einem weiteren
Austrocknen zu hindern und umgehend wieder zu hydratisieren.
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Das
Brennstoffzellensystem des fünften exemplarischen Ausführungsbeispiels
ist das gleiche, wie die Brennstoffzellensysteme des ersten bis
vierten exemplarischen Ausführungsbeispiels, ausgenommen
dass zusammen mit der Steuerung zum Ein- und Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 die folgende
Kühlmittel-Durchsatzsteuerung ausgeführt wird.
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10 stellt
dar, wie die jeweiligen Gase und das Kühlmittel in jeder
Brennstoffzelle strömen, wenn die Zirkulationspumpe 32 eingeschaltet
ist. Das Kühlmittel strömt in einem (nicht gezeigten)
Kühlmitteldurchlass, der zwischen den nebeneinander liegenden
Brennstoffzellen ausgebildet ist. Wie in 10 gezeigt
ist, strömt das Kühlmittel von der Einlassseite des
Kathodengas-Durchlassabschnittes 46 zur Auslassseite des
Kathodengas-Durchlassabschnitts 46, mit anderen Worten
von der Auslassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 zur
Einlassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48.
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Gemäß der
in 10 angegebenen Kühlmittel-Strömungsrichtung
wird die Temperatur des Anodengases an der Auslassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 niedriger
als die Temperatur des Anodengases an der Einlassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48.
Die Temperaturdifferenz wird durch den Durchsatz des Kühlmittels
bestimmt. In dem fünften exemplarischen Ausführungsbeispiel
wird der Durchsatz des Kühlmittels bei eingeschalteter
Zirkulationspumpe 32 derart gesteuert, dass die Temperaturdifferenz
zwischen der Einlassseite und der Auslassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 größer
ist, als wenn die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet ist
(d. h. der Durchsatz des Kühlmittels wird erhöht).
Indem also auf diese Weise die Temperaturdifferenz zwischen der
Einlassseite und der Auslassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 erhöht
wird, kann die Feuchtigkeitsdifferenz zwischen der Einlassseite
und der Auslassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 erhöht
werden. Genauer gesagt hilft es dem Anodengas, Wasser abzutransportieren,
wenn die Feuchtigkeit an der Einlassseite des Anodengas-Durchlassabschnitts 48 verhältnismäßig
niedrig eingestellt ist. Andererseits hilft es, die ausgetrockneten
Teile der Anode zu befeuchten, wenn die Feuchtigkeit an der Auslassseite des
Anodengas-Durchlassabschnitts 48 verhältnismäßig
hoch eingestellt ist. Indem also der Durchsatz des Kühlmittels
sowie das Ein-/Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 gesteuert
werden, ist es möglich, noch effektiver eine Verschlechterung
des Stromerzeugungsvermögens der Brennstoffzelleneinheit 2 und
eine Verringerung der Haltbarkeit der Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle
zu verhindern, wozu es andernfalls durch Austrocknen der Anode jeder Brennstoffzelle
käme.
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Das
Brennstoffzellensystem des sechsten exemplarischen Ausführungsbeispiels
ist das gleiche wie die Brennstoffzellensysteme des ersten bis fünften
exemplarischen Ausführungsbeispiels, ausgenommen dass neben
der Steuerung zum Ein- und Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 die
folgende Anodengasdruck-Steuerung ausgeführt wird.
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Gemäß dem
in 1 gezeigten Aufbau kann der Gasdruck in dem Zirkulationsdurchlass
unter Verwendung des variablen Druckeinstellventils 8 eingestellt
werden, wenn das Anodengas durch die Zirkulationspumpe 32 zirkuliert
wird. In dem sechsten exemplarischen Ausführungsbeispiel
wird das variable Druckeinstellventil 8 bei eingeschalteter
Zirkulationspumpe 32 derart gesteuert, dass der Druck des
Anodengases niedriger ist, als wenn die Zirkulationspumpe 32 ausgeschaltet
ist. Unter der Annahme, dass die Förderleistung der Zirkulationspumpe 32 unverändert
bleibt, kann der Durchsatz des Anodengases durch Erhöhen
seines Drucks erhöht werden. Falls der Durchsatz des in
dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 strömenden
Anodengases auf diese Weise erhöht worden ist, hilft dies
dem Anodengas, Wasser mit sich zu nehmen, so dass sich das Wasser
effizienter verteilt. Falls der Druck des Anodengases verringert
wird, erleichtert dies außerdem die Wasserbewegung von
der Kathodenseite zur Anodenseite. Indem der Druck des Anodengases
sowie das Ein-/Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 gesteuert werden,
ist es also möglich, effektiver eine Verschlechterung des
Stromerzeugungsvermögens der Brennstoffzelleneinheit 2 und
eine Verringerung der Haltbarkeit der Elektrolytmembran jeder Brennstoffzelle
zu verhindern, wozu es andernfalls durch Austrocknen der Anode jeder
Brennstoffzelle käme.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ihre exemplarischen Ausführungsbeispiele
beschrieben, doch versteht sich, dass die Erfindung auf keines dieser
exemplarischen Ausführungsbeispiele beschränkt
ist. Vielmehr soll die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der
Erfindung auch verschiedene Abwandlungen und äquivalente
Anordnungen abdecken, einschließlich derjenigen, die unten
beschrieben sind.
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In
dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem ist zwar die
Zirkulationspumpe 32 in dem Verbindungsdurchlass 30 vorgesehen,
doch können anstelle der Zirkulationspumpe 32 auch
eine Ausstoßvorrichtung und ein Ventil vorgesehen werden.
Und zwar kann die Ausstoßvorrichtung an einem Punkt vorgesehen
werden, an dem der Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 und der
Verbindungsdurchlass 30 zusammenlaufen, und das Ventil
kann in den Verbindungsdurchlass 30 vorgesehen werden.
In diesem Fall kann das Ventil als Entsprechung der ”Verbindungszustand-Umschalteinrichtung” der
Erfindung angesehen werden, und die Ausstoßvorrichtung kann
als Entsprechung der ”Gasströmungseinrichtung” angesehen
werden. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem derart beschaffen sein, dass jeweils an dem
Punkt, an dem der Wasserstoff-Zufuhrdurchlass 6 und der
Verbindungsdurchlass 30 zusammenlaufen, und an dem Punkt, an
dem der Anodengas-Austrittsdurchlass 12 und der Verbindungsdurchlass 30 zusammenlaufen,
Ventile vorgesehen sind, und dass in dem Verbindungsdurchlass 30 eine
Pumpe oder eine Ausstoßvorrichtung vorgesehen ist.
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Des
Weiteren sind bei dem in 2A und 2 gezeigten Brennstoffzellenaufbau die
Gasströmungsrichtung in dem Kathodengas-Durchlassabschnitt 46 und
die Gasströmungsrichtung in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 zueinander
entgegengesetzt, doch kann die Erfindung auch bei einem Brennstoffzellensystem
Anwendung finden, das einen Brennstoffzellenaufbau hat, bei dem
das Anodengas und das Kathodengas in der gleichen Richtung strömen.
Für den Fall, dass das Anodengas und das Kathodengas in
der gleichen Richtung strömen, schreitet das Austrocknen
der Anode an der Einlassseite des Anodengasdurchlasses voran, und
das Anodengas nimmt an der Auslassseite des Anodengasdurchlasses
Wasser auf. Auch in diesem Fall kann das Wasser, das von dem Anodengas
an der Auslassseite aufgenommen wird, durch Zirkulieren des Anodengases
zur Einlassseite gebracht werden, so dass die ausgetrockneten Abschnitte
an der Einlassseite hydratisiert werden.
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In
den vorstehenden exemplarischen Ausführungsbeispielen ist
zwar der Dead-End-Betrieb, in dem das Austrittsventil 14 vollständig
geschlossen ist, der Standardbetrieb des Brennstoffzellensystems,
doch kann als Standardbetrieb des Brennstoffzellensystems alternativ
auch der Betrieb durchgeführt werden, in dem das Austrittsventil 14 leicht
geöffnet ist (”mit kontinuierlichem Austritt geringer
Rate arbeitender Betrieb”). Während des mit kontinuierlichem
Austritt geringer Rate arbeitenden Betriebs wird der Öffnungsgrad
des Austrittventils 14 derart eingestellt, dass der Durchsatz
des ausgestoßenen Anodengases verglichen mit der Anodengasmenge, die
in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 verbraucht wird, äußerst
gering ist. Gemäß diesem mit kontinuierlichem
Austritt geringer Rate arbeitenden Betrieb wird der in dem Anodengas-Durchlassabschnitt 48 stehende
Stickstoff allmählich ausgestoßen, weswegen die
Häufigkeit der Anodenspülung verglichen mit dem
Anoden-Dead-End-Betrieb verringert werden kann.
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In
den in 3 und 6 dargestellten Routinen wird
zwar die Zirkulation des Anodengases während der Anodenspülung
vollständig ausgesetzt, doch können diese Routinen
alternativ auch derart beschaffen sein, dass die Zirkulationsmenge
des Anodengases während der Anodenspülung bezogen auf
den Fall, in dem gerade nicht die Anodenspülung erfolgt,
verringert ist. Wenn die Anode jeder Brennstoffzelle bereits in
einem großen Umfang ausgetrocknet ist, kann die Zirkulation
des Anodengases auch während der Anodenspülung
durchgeführt werden, und dem Verhindern eines weiteren
Austrocknens der Anode und dem erneuten Hydratisieren der Anode
kann Priorität eingeräumt werden.
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In
dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel wird zwar
das Anodengas zirkuliert, wenn die Brennstoffzelleneinheit 2 gerade
im Niedriglastbereich arbeitet, doch wird das Anodengas vorzugsweise
auch dann zirkuliert, wenn die Brennstoffzelleneinheit gerade unter
einer höheren Last als dem normalen Lastbereich arbeitet.
Falls die Brennstoffzelleneinheit unter einer höheren Last
arbeitet, ohne das Anodengas zu zirkulieren, kann es an einigen
Abschnitten an der strömungsabwärtigen Seite des
Anodengasdurchlasses in jeder Brennstoffzelle zu einem Anodengasmangel
kommen und kann dies die Katalysatoren an diesen Abschnitten schwächen. Angesichts
dessen wird das Anodengas auch dann zirkuliert, wenn die Last an
der Brennstoffzelleneinheit hoch ist, so dass sich der in dem Anodengasdurchlass
in der Brennstoffzelle gesammelte Stickstoff verteilt und ein lokaler
Anodengasmangel verhindert wird. Dabei ist zu beachten, dass die
oben beschriebene Steuerung zum Ein- und Ausschalten der Zirkulationspumpe 32 im
Hochlastbereich bei jedem der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme des
ersten bis sechsten exemplarischen Ausführungsbeispiels
Anwendung finden kann.
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Des
Weiteren kann bei den Brennstoffzellensystemen des zweiten bis vierten
exemplarischen Ausführungsbeispiels die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelleneinheit 2 erfasst werden, und auf die erfasste
Betriebstemperatur kann Bezug genommen werden, wenn der Hydratisierungsgrad
der Anode jeder Brennstoffzelle festgestellt wird. Das heißt,
dass genauer festgestellt werden kann, ob die Anode ausgetrocknet
ist, wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 2 berücksichtigt
wird.
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Des
Weiteren kann die Erfindung auch bei einem Brennstoffzellensystem
Anwendung finden, das das Gasaustrittsventil nur in einem Notfall
betätigt (spülungsfreies Dead-End- System). Da
in diesem System keine Spülung unter Verwendung des Gasaustrittsventils
erfolgt, nimmt der Stickstoffpartialdruck in dem Anodengasdurchlass
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu. Wenn
der Stickstoffpartialdruck in dem Anodengasdurchlass gleich dem
Stickstoffpartialdruck in dem Kathodendurchlass ist, nimmt der Stickstoffpartialdruck
in dem Anodengasdurchlass jedoch nicht weiter zu. Das heißt,
dass in einem solchen spülungsfreien Dead-End-System einer
bestimmten Menge Stickstoff erlaubt wird, sich in dem Anodengasdurchlass
in jeder Brennstoffzelle zu sammeln.
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In
den obigen Ausführungsbeispielen wird auf Grundlage der
physikalischen Größe, die mit dem Hydratisierungsgrad
einer Anode der Brennstoffzelle oder der Last an der Brennstoffzelle
in Beziehung steht, festgestellt, ob der Stromerzeugungszustand der
Brennstoffzelle anormal ist oder ob der Stromerzeugungszustand der
Brennstoffzelle anormal wird. Es kann daher verhindert werden, dass
der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle anormal wird, oder
der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle kann rasch normalisiert
werden, falls der Stromerzeugungszustand der Brennstoffzelle anormal
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Gaszufuhrdurchlass (6), über den einer Brennstoffzelleneinheit
(2) Anodengas zugeführt wird, und ein Gasaustrittsdurchlass
(12), über den Anodengas aus der Brennstoffzelleneinheit
(2) austritt, sind über einen Verbindungsdurchlass
(30) verbunden. Eine Zirkulationspumpe (32) schaltet
den Verbindungszustand des Verbindungsdurchlasses (30)
zwischen einem geschlossenen Zustand und einem offenen Zustand um.
Die Zirkulationspumpe (32) ruft eine Gasströmung
von dem Gasaustrittsdurchlass (12) zu dem Gaszufuhrdurchlass
(6) hervor, wenn sich der Verbindungsdurchlass (30)
in dem offenen Zustand befindet. Der Verbindungsdurchlass (30)
ist normalerweise geschlossen, und er wird geöffnet, wenn
eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, die mit dem Betriebszustand
der Brennstoffzelleneinheit (2) in Beziehung steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 08-500931
T [0002]
- - JP 2005-32652 A [0002]
- - JP 2005-19331 A [0002]
- - JP 2005-166498 A [0002]