DE112008001711T5 - Brennstoffzellenvorrichtung und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellenvorrichtung und Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE112008001711T5
DE112008001711T5 DE112008001711T DE112008001711T DE112008001711T5 DE 112008001711 T5 DE112008001711 T5 DE 112008001711T5 DE 112008001711 T DE112008001711 T DE 112008001711T DE 112008001711 T DE112008001711 T DE 112008001711T DE 112008001711 T5 DE112008001711 T5 DE 112008001711T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
fuel
gas
electrode
electrolyte membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE112008001711T
Other languages
English (en)
Other versions
DE112008001711B4 (de
Inventor
Takuya Toyota-shi Hashimoto
Hideki Toyota-shi Kubo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Publication of DE112008001711T5 publication Critical patent/DE112008001711T5/de
Application granted granted Critical
Publication of DE112008001711B4 publication Critical patent/DE112008001711B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04529—Humidity; Ambient humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Steuerungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, in der eine elektrische Leistung anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, erzeugt wird, wobei, die Steuerungsvorrichtung einen Steuerungsbetrieb ausführt, der einen Gasdruck an der Oxidationselektrode erhöht, wenn Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Steuerungsvorrichtung ein Brennstoffzellensystem.
  • Technischer Hintergrund
  • Es sind bereits Brennstoffzellen bekannt, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der andere Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweisen, wobei anhand eines Oxidationsgases, wie z. B. einer sauerstoffhaltigen Luft, die der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines wasserstoffhaltigen Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt wird (siehe z. B. die JP-H05-47394 A , JP 2004-127914 A und JP 2004-220794 A ).
  • Die JP H05-47394 A offenbart eine Technologie zum Steuern des Wassergehaltszustands eines Festpolymerelektrolyten einer Brennstoffzelle in einem optimalen Zustand, wodurch ein stabiler Betriebszustand der Zelle ermöglicht wird. Insbesondere ist darin eine Brennstoffzelle offenbart, bei der, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle sich verschlechtern und die Leitfähigkeit des Festpolymerelektrolyten sich verbessert, die Menge der in dem zugeführten Reaktionsgas enthaltenen Feuchtigkeit reduziert wird, wohingegen, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle sich verschlechtern und die Leitfähigkeit des Festpolymerelektrolyten gering ist, die Menge der Feuchtigkeit in dem Reaktionsgas erhöht wird.
  • Ferner offenbart die JP 2004-127914 A eine Technologie zum Steuern der Druckdifferenz zwischen dem Druck des Oxidationsgases und dem Druck des Brenngases gemäß dem Ergebnis der Diagnose des Zustands der Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle. Insbesondere wird in der JP 2004 127914 A , wenn der Feuchtigkeitsgehalt als zu hoch diagnostiziert wird, die Druckdifferenz so gesteuert, dass der Druck des Brenngases relativ zum Druck des Oxidationsgases ansteigt und folglich eine Diffusion bzw. ein Durchdringen von Wasser von der Seite der Luftelektrode zur Seite der Brennstoffelektrode verhindert wird, wodurch eine Wasseransammlung innerhalb des Elektrodenbereichs der Brennstoffelektrode verhindert wird. Wenn hingegen der Feuchtigkeitsgehalt als unzureichend diagnostiziert wird, wird die Druckdifferenz so gesteuert, dass der Druck des Brenngases relativ zum Druck des Oxidationsgases gesenkt wird, und folglich eine Abwanderung von Wasser von der Seite der Luftelektrode zur Seite der Brennstoffelektrode gefördert wird, so dass eine Durchtränkung der Elektrolytmembran mit Wasser rasch eintreten kann.
  • Ferner offenbart die JP 2004-220794 A eine Technologie zum Aufrechterhalten eines Differenzdrucks zwischen dem Anodendruck und dem Kathodendruck auf einem konstanten Wert ohne Verwendung eines Anodendrucksensors oder eines Kathodendrucksensors, indem die sich verändernden Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle herangezogen werden, die durch ein übermäßiges oder unzureichendes Zuführvolumen bzw. einen übermäßigen oder unzureichenden Zuführdruck des Wasserstoffgases bzw. der Luft verursacht werden. Insbesondere offenbart die JP 2004-220794 A eine Technik, bei der, wenn der Ist-Spannungswert geringer ist als der zuvor gespeicherte Standardspannungswert, der auf den Strom-Spannungs-Kennwerten der Zelle basiert, diese reduzierte Spannung durch Erhöhen des Drucks des Brenngases oder des Oxidationsgases korrigiert wird. Diese Technik macht sich den Umstand zunutze, dass eine Beurteilung dahingehend, ob die Zufuhr des Wasserstoffs oder der Luft unzureichend ist oder nicht, durch Vergleichen des Ist-Spannungswerts mit dem Standard-Spannungswert vorgenommen werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Wenn jedoch in einer Brennstoffzelle die Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode hoch ist, kann sich ein Phänomen, bei dem das Wasser an der Oberfläche des Katalysators der Oxidationsgaselektrode adsorbiert wird, oder ein Phänomen ereignen, bei dem Hydroxylgruppen an der Oberfläche des Katalysators der Oxidationselektrode erzeugt werden, und diese Phänomene bewirken eine Verschlechterung der Wirksamkeit des Katalysators, was zu einer Reduktion der Brennstoffzellenleistungsabgabe führt.
  • In keiner der vorstehenden Druckschriften sind Gegenmaßnahmen zur Bewältigung dieser Art der Verminderung der Brennstoffzellenleistungsabgabe offenbart, die durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode verursacht wird.
  • Die vorliegende Erfindung schafft dementsprechend eine Brennstoffzellen-Steuerungsvorrichtung, die in der Lage ist, eine Verminderung der Brennstoffzellenleistungsabgabe zu reduzieren, die durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode verursacht wird.
  • Bei einer Brennstoffzellen-Steuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Steuerungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, in der eine elektrische Leistung anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, erzeugt wird, wobei, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran noch nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist, führt die Steuerungsvorrichtung einen Steuerungsbetrieb aus, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode erhöht.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der vorstehend beschriebene Steuerungsbetrieb dadurch erreicht, dass eine erste Steuerungssequenz bzw. -abfolge ausgeführt wird, die den Gasdruck an der Oxidationselektrode im Anschluss an die Beendung eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs von einem Hochlastbetrieb in einen Niederlastbetrieb erhöht.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in jenen Fällen, in denen die vorstehend erwähnte erste Steuerungssequenz die Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte nicht zufriedenstellend reduzieren kann, der vorstehend beschriebene Steuerungsbetrieb erreicht, indem eine zweite Steuerungssequenz ausgeführt wird, die den Gasdruck an der Oxidationselektrode vor dem Start eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs von einem Niederlastbetrieb in einen Hochlastbetrieb erhöht.
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, in der anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt wird, und eine Steuerungsvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Aspekte, die die Brennstoffzelle steuert.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Brennstoffzellen-Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, die in der Lage ist, eine Verminderung der Brennstoffzellenleistungsabgabe zu reduzieren, die durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode verursacht wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine schematische Darstellung der Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Querschnittansicht, die die Struktur einer Brennstoffzelle darstellt.
  • 3 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Variation bzw. einen Verlauf des Kathodengegendrucks und des abgegebenen elektrischen Stroms in einer ersten Steuerungsabfolge darstellt.
  • 4 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Variation bzw. den Verlauf des Kathodengegendrucks und des abgegebenen elektrischen Stroms in der zweiten Steuerungssequenz darstellt.
  • 5 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Variation bzw. den Verlauf des Kathodengegendrucks und des abgegebenen elektrischen Stroms während eines Niederlastbetriebs und eines Hochlastbetriebs darstellt.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, das die Verarbeitung darstellt, die durch eine Steuerungsvorrichtung ausgeführt wird.
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzelle
    11
    Elektrolytmembran
    12
    Oxidationselektrode
    13
    Brennstoffelektrode
    14
    Oxidationsgasleitung
    15
    Brenngasleitung
    16, 17
    Diffusionsschicht
    21
    Kompressor bzw. Luftverdichtungseinrichtung
    22
    Oxidationsgaszuführleitung
    23
    Oxidationsgasabführleitung
    24
    Druckregulierventil
    31
    Wasserstofftank
    32
    Brennstoffzuführleitung
    33
    Umwälzleitung
    34
    Druckregulierventil
    35
    Brennstoffabführleitung
    36
    Ableitventil
    38
    Wasserstoffpumpe
    41
    Externe Last
    42
    Spannungssensor
    43
    Stromsensor
    44
    Impedanzmessvorrichtung
    50
    Steuerungsvorrichtung
  • Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
  • Eine ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • 1 ist eine schematische Darstellung der Struktur eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß dieser Ausführungsform. Dieses Brennstoffzellensystem 1 ist ein System zum Erzeugen von Elektrizität unter Verwendung eines Oxidationsgases und eines Brenngases, und diese spezielle Ausführungsform ist an einem Brennstoffzellenautomobil bzw.
  • Brennstoffzellenfahrzeug befestigt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann auch in anderen Anwendungsgebieten außer Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden.
  • In 1 beinhaltet das Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 10. Dieser Brennstoffzelle 10 wird ein Oxidationsgas und ein Brenngas zugeführt, und sie erzeugt dadurch Elektrizität. Insbesondere handelt es sich bei dem Oxidationsgas um ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z. B. Luft, und bei dem Brenngas um ein wasserstoffhaltiges Gas. Die Brennstoffzelle 10 nutzt die elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen. Bei der Brennstoffzelle 10 handelt es sich z. B. um eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle.
  • 2 ist eine schematische Querschnittansicht, die die Struktur bzw. den Aufbau der Brennstoffzelle 10 veranschaulicht. Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf 2 eine Beschreibung der Struktur bzw. des Aufbaus der Brennstoffzelle 10. In dieser Ausführungsform weist die Brennstoffzelle 10 eine gestapelte Struktur auf, in der eine Mehrzahl von Zelleneinheiten aneinandergestapelt sind, doch ist in 2 der Einfachheit halber nur eine einzige Zelle dargestellt.
  • In 2 weist die Brennstoffzelle 10 eine Elektrolytmembran 11, eine Oxidationselektrode 12 (bei der es sich bekanntermaßen um die Kathode handelt), die auf der einen Seite der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und eine Brennstoffelektrode 23 (bei der es sich bekanntermaßen um die Anode handelt), die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, auf. Insbesondere weist die Brennstoffzelle 10 eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, die durch Integrieren bzw. Zusammenbauen der Elektrolytmembran 11, der Oxidationselektrode 12 und der Brennstoffelektrode 13 erzeugt wird.
  • Eine Oxidationsgasleitung 14, die der Oxidationselektrode 12 das Oxidationsgas zuführt, ist entlang der Oberfläche der Oxidationselektrode 12 auf der Außenseite der Oxidationselektrode 12 angeordnet, und eine Brenngasleitung 15, die der Brennstoffelektrode 13 das Brenngas zuführt, ist entlang der Oberfläche der Brennstoffelektrode 13 auf der Außenseite der Brennstoffelektrode 13 angeordnet. Insbesondere ist ein Separator mit der darin ausgebildeten Oxidationsgasleitung 14 auf der äußeren Oberfläche der Oxidationselektrode 12 mit einer dazwischen angeordneten Diffusionsschicht 16 angeordnet, und ein weiterer Separator mit der darin ausgebildeten Brenngasleitung 15 ist auf der äußeren Oberfläche der Brennstoffelektrode 13 mit einer dazwischen angeordneten Diffusionsschicht 17 angeordnet.
  • Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Elektrizitätserzeugungsfunktion der Brennstoffzelle 10. Das Oxidationsgas wird der Oxidationsgasleitung 14 über einen Einlass 14A zugeführt, wodurch das Oxidationsgas der Oxidationselektrode 12 zugeführt wird. Das Brenngas wird hingegen der Brenngasleitung 15 über einen Einlass 15A zugeführt, wodurch das Brenngas der Brennstoffelektrode 13 zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 10 erzeugt unter Verwendung des der Oxidationselektrode 12 zugeführten Oxidationsgases und des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Brenngases Elektrizität. Insbesondere tritt unter dem Einfluss der katalytischen Wirksamkeit von Platin die durch die nachstehend angeführte Gleichung (1) dargestellte Reaktion an der Brennstoffelektrode 13 auf, und die durch die nachstehend angeführte Gleichung (2) dargestellte Reaktion tritt an der Oxidationselektrode 12 auf, was eine elektrogene Gesamtreaktion zur Folge hat, die durch eine nachstehend angeführte Gleichung (3) dargestellt wird. H2 → 2H+ + 2e– (1) 2H+ + (1/2)O2 + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Anschließend wird ein Kathoden-Offgas bzw. Kathodenabgas aus der Oxidationsgasleitung 14 über einen Auslass 14B abgeführt, und ein Anoden-Offgas bzw. Anodenabgas wird aus der Brenngasleitung 15 über einen Auslass 15B abgeführt.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist zu erkennen, dass eine Oxidationsgaszuführleitung 22, die eine von einem Kompressor 21 zugeführte Luft zur Oxidationsgasleitung 14 kanalisiert bzw. leitet, mit dem Einlass der Oxidationsgasleitung 14 verbunden ist, wohingegen eine Oxidationsgasabführleitung 23, die das aus der Oxidationsgasleitung 14 nach außen abgeführte Kathodenabgas nach außen kanalisiert bzw. leitet, mit dem Auslass der Oxidationsgasleitung 14 verbunden ist. Ein Druckregulierventil 24 zum Regulieren des Drucks des Gases innerhalb der Oxidationsgasabführleitung 23 (nämlich des Kathodengegendrucks) ist innerhalb der Oxidationsgasabführleitung 23 angeordnet. Wenngleich in 1 davon nichts gezeigt ist, können die Leitungen 22 und 23, die mit der Oxidationsgasleitung 14 verbunden sind, außerdem ebenfalls mit Drucksensoren zum Messen des Gasdrucks innerhalb der Leitungen, Strömungsratensensoren zum Messen der Gasströmungsrate innerhalb der Leitungen, Ventilen zum Schließen der Leitungen (Luftsperrventilen) und Befeuchtungsmodulen und ähnlichem versehen sein.
  • Eine Brennstoffzuführleitung 32, die den Wasserstoff, der von einem das gespeicherte Hochdruck-Wasserstoffgas enthaltenden Wasserstofftank 31 zugeführt wird, zur Brenngasleitung 15 leitet, ist hingegen mit dem Einlass der Brenngasleitung 15 verbunden, wohingegen eine Umwälzleitung 33, die das Anodenabgas, das aus der Brenngasleitung 15 abgeführt wird, zur Brennstoffzuführleitung 32 zurückführt, ist mit dem Auslass der Brenngasleitung 15 verbunden. Ein Druckregulierventil 34 zum Regulieren des Drucks des Gases innerhalb der Brenngaszuführleitung 32 ist innerhalb der Brennstoffzuführleitung 32 angeordnet. Eine Wasserstoffpumpe 38 zum Umwälzen des Wasserstoffs ist innerhalb der Umwälzleitung 33 angeordnet. Ferner ist eine Brennstoffabführleitung 35, die das aus der Brenngasleitung 15 abgeführte Anodenabgas nach außen leitet, ebenfalls mit der Umwälzleitung 33 verbunden, und ein Ableitventil 36 zum Öffnen und Schließen der Brennstoffabführleitung 35 ist in der Brennstoffabführleitung 35 angeordnet. Wenngleich davon in 1 nichts gezeigt ist, können die Leitungen 32 und 33, die mit der Brenngasleitung 15 verbunden sind, außerdem ebenfalls mit Drucksensoren zum Messen des Gasdrucks innerhalb der Leitungen, Strömungsratensensoren zum Messen der Gasströmungsrate innerhalb der Leitungen und mit Ventilen zum Schließen der Leitungen (Brenngas-Sperrventilen) und dergleichen versehen sein.
  • Eine externe Last 41 ist mit der Brennstoffzelle 10 elektrisch verbunden. Beispiele für die externe Last 41 beinhalten einen Gleichstromwandler oder eine Last (wie z. B. eine Sekundärzelle, einen Kondensator, Zusatzaggregate oder einen Widerstand und dergleichen), die mit der Brennstoffzelle 10 über den Gleichstromwandler verbunden ist.
  • Außerdem beinhaltet das Brennstoffzellensystem 1 zudem einen Spannungssensor 42, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 misst, einen Stromsensor 43, der den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle misst, eine Impedanzmessvorrichtung 44, die die Impedanz der Brennstoffzelle 10 misst, und eine Steuerungsvorrichtung 50, die den Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 steuert. Insbesondere steuert die Steuerungsvorrichtung die verschiedenen gesteuerten Geräte bzw. Vorrichtungen (wie z. B. den Kompressor 21, das Druckregulierventil 24, die Wasserstoffpumpe 38 und das Druckregulierventil 34) basierend auf verschiedenen eingegebenen Informationen (wie z. B. den Ausgabewerten aus dem Spannungssensor 42, dem Stromsensor 43 und der Impedanzmessvorrichtung 44 und dergleichen).
  • Die Steuerungsvorrichtung 50 kann unter Verwendung von vielen verschiedenen geeigneten Konfigurationen realisiert werden, wenngleich sie in der vorliegenden Ausführungsform eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), einen ROM(Nur-Lese-Speicher) und einen Hauptspeicher und dergleichen aufweist. Die Funktionsfähigkeit der Steuerungsvorrichtung 50 wird dadurch erreicht, dass die CPU ein Steuerungsprogramm ausführt, das in einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. dem ROM, gespeichert ist.
  • Wenn in der vorstehend beschriebenen Struktur die Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode 12 hoch ist, besteht die Tendenz, dass sich Phänomene ereignen, bei denen Wasser einer physikalischen Adsorption an der Oberfläche des Katalysators der Oxidationsgaselektrode 12 ausgesetzt ist, oder Hydroxylgruppen an der Oberfläche des Katalysators der Oxidationselektrode 12 erzeugt werden, und diese Phänomene bewirken eine Verschlechterung der Wirksamkeit des Katalysators, was eine Reduktion der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 zur Folge hat.
  • Diese Art von Ereignis tritt beispielsweise ein, wenn die Brennstoffzelle einem Dauerbetrieb bzw. kontinuierlichen Betrieb bei einem niedrigen Kathodendruck (von z. B. nicht mehr als 140 kPa absolut) ausgesetzt ist. Ferner ist diese Art von Ereignis besonders ausgeprägt, wenn wiederholt ein Niederlastbetrieb und ein Hochlastbetrieb ausgeführt werden. Dementsprechend ist im Fall von Brennstoffzellenfahrzeugen die vorstehend erläuterte Art von Phänomen besonders ausgeprägt, wenn Zustände eines Leerlaufbetriebs und eines WOT-Betriebs (Wide Open Throttle bzw. weit geöffnete Drosselklappe bzw. Vollgasstellung bzw. Volllast) wiederholt werden. Insbesondere wenn ein Niederlastbetrieb und ein Hochlastbetrieb wiederholt durchgeführt werden, tendiert die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle zur graduellen Verminderung.
  • In einem Fall, wo sich die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 verschlechtert haben, und die Elektrolytmembran 11 nicht trocken ist, besteht die Wahrscheinlichkeit, dass das vorstehend beschriebene Phänomen die Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte verursacht haben kann.
  • Die Anmelderinnen der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, dass in jenen Fällen, wo eine Verminderung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode 12 verursacht wird, die Verminderung der Leistungsabgabe reduziert (entweder wiedergutgemacht oder unterdrückt) werden kann, indem der Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 erhöht wird. Man nimmt an, dass ein Grund für diesen Effekt der ist, dass durch Erhöhen des Gasdrucks an der Oxidationselektrode 12 die Wasserdampfkonzentration an der Oxidationselektrode 12 abnimmt, und infolgedessen die Wassermenge abnimmt, die am Katalysator adsorbiert ist, eine Wasserdesorption aus dem Katalysator eintritt, die Entstehung von Hydroxylgruppen unterdrückt wird und auch eine Desorption der Hydroxylgruppen aus dem Katalysator eintritt.
  • Um das Problem einer verringerten Leistungsabgabe aus der Brennstoffzelle 10, das durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode 12 verursacht wird, zu bewältigen, führt die Steuerungsvorrichtung 50 in der vorliegenden Ausführungsform dementsprechend den nachstehend beschriebenen Steuerungsbetrieb aus. In jenen Fällen, wo die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran 11 nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist, führt die Steuerungsvorrichtung 50 nämlich einen Steuerungsbetrieb aus, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 erhöht.
  • Die Bedeutung des Ausdrucks „die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 unterschreiten einen vorbestimmten Referenzwert” wird nachstehend näher erläutert. Insbesondere erhält die Steuerungsvorrichtung 50 einen Ist-Messwert für die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10, und basierend auf diesem Messwert bestimmt sie, ob die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 einen vorbestimmten Referenzwert unterschritten haben. Genauer gesagt vergleicht die Steuerungsvorrichtung 50 den gemessenen Wert für die Strom-Spannungs-Kennwerte mit einem zuvor gespeicherten Schätzwert bzw. geschätzten Wert für die Strom-Spannungs-Kennwerte, und wenn die Differenz zwischen den beiden Werten größer ist als ein vorbestimmter Schwellwert, gelten die Strom-Spannungs-Kennwerte als verschlechtert, wohingegen, wenn die Differenz kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist, gelten die Strom-Spannungs-Kennwerte als nicht verschlechtert. Beispiele für den Messwert der Strom-Spannungs-Kennwerte beinhalten einen Ist-Messwert für die Ausgangsspannung bei einem spezifischen Ausgangsstrom oder einen Ist-Messwert für den Ausgangsstrom bei einer spezifischen Ausgangsspannung. Der geschätzte Wert für die Strom-Spannungs-Kennwerte wird beispielsweise auf Basis eines zuvor erstellten Strom-Spannungs-Kennfelds bestimmt, das zum Bestimmen von Soll-Werten für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom gemäß der angeforderten Leistungsabgabe verwendet bzw. herangezogen wird. In der vorliegenden Ausführungsform bezieht sich der Rückgang der Strom-Spannungskennwerte, die den Sollwert für die durch die Steuerungsvorrichtung ausgeführte Bestimmung darstellen, auf eine Verschlechterung der Strom-Spannungskennwerte der Brennstoffzelle 10 und nicht auf eine Verminderung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstrom, der durch einen Mangel an Oxidationsgas oder Brenngas verursacht wird. Dementsprechend wird in dieser Ausführungsform der Vergleich zwischen dem gemessenen Ist-Wert und dem geschätzten Wert für die Strom-Spannungs-Kennwerte unter passenden Betriebsbedingungen in Bezug auf die Gasdrücke und Strömungsraten und dergleichen ausgeführt.
  • Die Bedeutung des vorstehenden Ausdrucks „die Austrocknung der Elektrolytmembran 11 nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist” wird nachstehend näher erläutert. Insbesondere erhält die Steuerungsvorrichtung 50 Informationen, die den Zustand der Feuchtigkeit der Elektrolytmembran 11 repräsentieren, und basierend auf diesen Informationen bestimmt sie, ob die Austrocknung der Elektrolytmembran 11 so weit vorangeschritten ist oder nicht, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist. Die Steuerungsvorrichtung 50 kann z. B. einen Impedanzwert für die Brennstoffzelle 10 erhalten und dann bestimmen, dass die Elektrolytmembran 11 entweder trocken ist, wenn die Impedanz einen vorbestimmten Wert nicht unterschreitet, oder nicht trocken ist, wenn die Impedanz den vorbestimmten Wert unterschreitet. Die Bestimmung bzw. Feststellung, ob die Elektrolytmembran 11 trocken ist oder nicht, kann auch unter Verwendung eines anderen Verfahrens ausgeführt werden.
  • Die Bedeutung des vorstehenden Ausdrucks „führt einen Steuerungsbetrieb aus, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 erhöht” wird nachstehend näher erläutert. Insbesondere wenn die Steuerungsvorrichtung 50 bestimmt, dass die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 einen vorbestimmten Referenzwert unterschritten haben und dass die Austrocknung der Elektrolytmembran 11 einen vorbestimmten Referenzwert überschritten hat, führt die Steuerungsvorrichtung 50 einen Steuerungsbetrieb aus, um den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 zu erhöhen. Die Steuerungsvorrichtung 50 steuert das Druckregulierventil 24 und den Kompressor 21, so dass der Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 erhöht wird. Hier beschreibt der Ausdruck „Gasdruck an der Oxidationselektrode 12” insbesondere den Druck des Gases innerhalb der Oxidationsgasleitung 14. Ferner bedeutet der Ausdruck „erhöht den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12”, dass der Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 unter normalen Steuerungsbedingungen über den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 hinaus erhöht wird. Insbesondere wird der Gasdruck relativ zu einem Standardgasdruck erhöht, der entsprechend der Soll-Leistungsabgabe voreingestellt ist, wie z. B. ein Gasdruck, der entsprechend der Soll-Leistungsabgabe in einem zuvor erstellten Steuerkennfeld eingestellt worden ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuerungsvorrichtung 50 im Hinblick auf eine geforderte Energieeinsparung den vorstehenden Steuerungsbetrieb durch Ausführen eines ersten Steuerungsablaufs aus, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 im Anschluss an die Beendung eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs vom Hochlastbetrieb in einen Niederlastbetrieb erhöht. Wie in 3 dargestellt ist, wird, unmittelbar im Anschluss an die Beendung des Hochlastbetriebs, insbesondere der Öffnungswinkel bzw. -grad des Druckregulierventils 24 durch die Steuerungsvorrichtung 50 vorübergehend verengt bzw. verkleinert (oder das Ventil in einer möglichen Konfiguration geschlossen), wodurch der Kathodengegendruck erhöht wird. Im Fall eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das eine mögliche Konfiguration darstellt, wird, wenn die Drosselklappe geschlossen ist, der Öffnungswinkel des Druckregulierventils 24 für mehreren Sekunden verengt bzw. verkleinert, wodurch der Kathodengegendruck während des Leerlaufbetriebs oder intermittierenden Betriebs, der unmittelbar auf das Schließen der Drosselklappe folgt, vorübergehend erhöht wird.
  • In jenen Fällen, wo die Steuerungsvorrichtung 50 nicht in der Lage ist, die Verminderung bzw. Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte zufriedenstellend zu reduzieren bzw. abzuschwächen, indem der vorstehend erwähnte erste Steuerungsablauf ausgeführt wird, wird der vorstehend beschriebene Steuerungsbetrieb durch Ausführen eines zweiten Steuerungsablaufs erreicht, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 vor dem Start des Hochlastbetriebs während eines Übergangs von einem Niederlastbetrieb in einen Hochlastbetrieb erhöht. Der zweite Steuerungsablauf ist weniger ökonomisch im Energieverbrauch als der erste Steuerungsablauf, doch ist seine Wirkung in Bezug auf die Verminderung bzw. Abschwächung der Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte sehr deutlich.
  • Die Bedeutung des vorstehenden Ausdrucks „jene Fälle, wo die Steuerungsvorrichtung 50 nicht in der Lage ist, die Verminderung bzw. Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte zufriedenstellend zu reduzieren, indem der vorstehend erwähnte erste Steuerungsablauf ausgeführt wird” wird nachstehend näher erläutert. Insbesondere bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 basierend auf einem vorbestimmten Beurteilungsstandard, ob die Verminderung bzw. Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte durch den ersten Steuerungsablauf zufriedenstellend vermindert bzw. abgeschwächt werden konnte, und wenn bestimmt wird, dass keine zufriedenstellende Abschwächung erreicht werden konnte, wird der zweite Steuerungsablauf ausgeführt. Die Steuerungsvorrichtung 50 kann entweder den zweiten Steuerungsablauf in jenen Fällen ausführen, wo die Strom-Spannungs-Kennwerte unter Verwendung des ersten Steuerungsablaufs nicht zufriedenstellend bzw. ausreichend wiederhergestellt werden können, oder den zweiten Steuerungsablauf in jenen Fällen ausführen, wo eine Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte unter Verwendung des ersten Steuerungsablaufs nicht zufriedenstellend unterdrückt werden kann. In einer möglichen Konfiguration kann die Steuerungsvorrichtung 50 den ersten Steuerungsablauf in dem Fall ausführen, wo der gemessene Ist-Wert für die Strom-Spannungs-Kennwerte den abgeschätzten Wert bzw. Schätzwert um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, und dann den zweiten Steuerungsablauf ausführen, wenn der Messwert anschließend den Schätzwert ein zweites Mal um mehr als den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
  • Nachstehend wird der Ausdruck „der zweite Steuerungsablauf” näher beschrieben. Wie insbesondere in 4 dargestellt ist, verkleinert die Steuerungsvorrichtung 50 vor dem Start eines Hochlastbetriebs, z. B. wenn eine hohe Leistungsabgabe gefordert wird, vorübergehend den Öffnungswinkel des Druckregulierventils 24 (oder bewirkt in einer möglichen Konfiguration, dass das Ventil geschlossen wird), wodurch der Kathodengegendruck erhöht wird. Im Fall eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das eine mögliche Konfiguration darstellt, wird, wenn die Drosselklappe geöffnet wird, der Öffnungswinkel des Druckregulierventils 24 verkleinert, wodurch der Kathodengegendruck vorübergehend erhöht wird.
  • Der Steuerzeitpunkt der Erhöhung des Gasdrucks an der Oxidationselektrode 12 ist nicht auf den im vorstehenden ersten Steuerablauf oder vorstehenden zweiten Steuerablauf beschriebenen Steuerzeitpunkt beschränkt. Der Gasdruck kann z. B. auch während eines Niederlastbetriebs, wie z. B. während eines Leerlaufbetriebs (z. B. Zeitspanne A in 5), oder während eines Hochlastbetriebs, wie z. B. während eines Volllastbetriebs (z. B. Zeitspanne B in 5), erhöht werden.
  • Nachstehend erfolgt eine Beschreibung, die im Besonderen auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bezogen ist.
  • Die Steuerungsvorrichtung 50 bestimmt Soll-Werte für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom basierend auf einem Strom-Spannungs-Kennfeld (IV-Kennfeld) für die Brennstoffzelle 10, das entsprechend einer angeforderten Leistungsabgabe im Voraus eingestellt wird. Basierend auf einem voreingestellten Steuerkennfeld bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 dann die Soll-Werte für den Druck und die Strömungsrate der der Oxidationselektrode 12 zugeführten Luft, und für den Druck und die Strömungsrate des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Wasserstoffs entsprechend den für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom bestimmten Sollwerten. Die Steuerungsvorrichtung 50 steuert dann das Druckregulierventil 24, den Kompressor 21, das Druckregulierventil 34 und die Wasserstoffpumpe 38, so dass der Druck und die Strömungsrate der der Oxidationselektrode 12 zugeführten Luft und der Druck und die Strömungsrate des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Wasserstoffs ihre jeweiligen Soll-Werte erreichen. In einer bevorzugten Konfiguration werden beim Einstellen bzw. Anpassen der Druckwerte auf bzw. an die Sollwerte Drucksensoren verwendet. In einer weiteren bevorzugten Konfiguration werden ferner beim Einstellen bzw. Anpassen der Strömungsratenwerte auf bzw. an die Sollwerte Strömungsratensensoren verwendet.
  • Unter der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 50 wird Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 31 durch die Brennstoffzuführleitung 32 der Brenngasleitung 15 zugeführt, und Luft wird aus dem Kompressor 21 durch die Oxidationsgaszuführleitung 22 der Oxidationsgasleitung 14 zugeführt, wodurch der Brennstoffzelle 10 ermöglicht wird, Elektrizität zu erzeugen.
  • Das Anodenabgas, das Wasserstoff enthält, das nicht an der Reaktion beteiligt war, wird aus der Brenngasleitung 15 abgeführt, und dieses Anodenabgas wird durch die Umwälzleitung 33 bewegt und wird der Brenngasleitung 15 erneut zugeführt. Weil das Anodenabgas neben dem Wasserstoff auch noch Verunreinigungen enthält, nimmt die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenabgas während des erneuten Umwälzvorgangs allmählich ab. Dementsprechend wird zu einem passenden Zeitpunkt das Ableitventil 36 geöffnet, wodurch das eine reduzierte Wasserstoffkonzentration aufweisende Anodenabgas durch die Brenngasabführleitung 35 nach außen abgeführt wird.
  • Das Kathodenabgas wird hingegen aus der Oxidationsgasleitung 14 abgeführt, und dieses Kathodenabgas wird dann durch die Oxidationsgasabführleitung 23 nach außen abgeführt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform führt die Steuerungsvorrichtung 50 die in 6 zusammengefasste Verarbeitung aus, um das Problem einer verminderten Leistungsabgabe aus der Brennstoffzelle 10 zu bewältigen, das durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode 12 hervorgerufen wird. Diese in 6 zusammengefasste Verarbeitung kann nach Bedarf wiederholt werden.
  • In 6 erfasst die Steuerungsvorrichtung 50 zunächst einen Ist-Messwert für die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle 10 unter Verwendung des Spannungssensors 42 und des Stromsensors 43 (S1).
  • Ferner erhält die Steuerungsvorrichtung 50 zudem einen Impedanzwert für die Brennstoffzelle 10, der unter Verwendung der Impedanzmessvorrichtung 44 gemessen wird.
  • Dann bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50, ob der erhaltene Messwert für die Strom-Spannungs-Kennwerte um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert kleiner als ein Schätzwert ist oder nicht, und ob die erhaltene Impedanz kleiner ist als ein vorbestimmter Wert (S3).
  • Wenn das Ergebnis der Bestimmung bei Schritt S3 „NEIN” lautet, ist die Verarbeitung beendet.
  • Wenn hingegen das Ergebnis der Bestimmung bei Schritt S3 „JA” lautet, nämlich wenn bestimmt wird, dass der Ist-Messwert um mehr als der vorbestimmte Schwellwert kleiner ist als der Schätzwert und dass die Impedanz kleiner ist als der vorbestimmte Wert, bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 dann, ob gerade der erste Steuerungsablauf ausgeführt wird oder nicht (S4).
  • Wenn der erste Steuerungsablauf gerade nicht ausgeführt wird (S4: NEIN), initiiert die Steuerungsvorrichtung 50 dann den ersten Steuerungsablauf, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 im Anschluss an die Beendung eines Hochlastbetriebs erhöht (S5). Insbesondere initiiert die Steuerungsvorrichtung 50 einen Steuerungsablauf, der, unmittelbar im Anschluss an ein Schließen bzw. Ausschalten der Drosselklappe, das Druckregulierventil 24 vorübergehend (ungefähr 20 Sekunden) schließt, wodurch der Kathodengegendruck erhöht wird.
  • Wenn hingegen gerade der erste Steuerungsablauf ausgeführt wird (S4: JA), dann initiiert die Steuerungsvorrichtung 50 den zweiten Steuerungsablauf, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode 12 vor dem Start eines Hochlastbetriebs erhöht (S6). Insbesondere initiiert die Steuerungsvorrichtung 50 einen Steuerungsablauf, der, wenn eine hohe Leistungsabgabe gefordert wird, zuerst das Druckregulierventil 24 schließt, wodurch der Kathodengegendruck erhöht wird.
  • Der erste und der zweite Steuerungsablauf werden z. B. beendet, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte wieder Werte über einem vorbestimmten Wertebereich erreicht haben.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Steuerungsbetrieb ausgeführt, so dass in einer Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, und in der anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt wird, der Gasdruck an der Oxidationselektrode erhöht wird, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist. Somit kann durch Verwenden der vorliegenden Ausführungsform die Verschlechterung der Brennstoffzellen- Leistungsabgabe, die durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode bewirkt wird, verringert werden.
  • Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform der vorstehende Steuerungsbetrieb erreicht werden, indem ein erster Steuerungsablauf ausgeführt wird, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode im Anschluss an die Beendung eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs vom Hochlastbetrieb in den Niederlastbetrieb erhöht.
  • Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform in jenen Fällen, wo der vorstehende erste Steuerungsablauf nicht in der Lage ist, die Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte zufriedenstellend zu reduzieren bzw. abzuschwächen, der vorstehende Steuerungsbetrieb durch Ausführen eines zweiten Steuerungsablaufs erreicht werden, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode vor dem Start eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs von einem Niederlastbetrieb in einen Hochlastbetrieb erhöht. Durch Verwenden dieser Konfiguration kann eine zufriedenstellende Wiedergutmachung oder Unterdrückung einer Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte selbst in jenen Fällen erreicht werden, wo eine Verschlechterung unter Verwendung des ersten Steuerungsablaufs nicht zufriedenstellend wiedergutgemacht oder unterdrückt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es sind verschiedene Modifizierungen möglich, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Es kann z. B. eine Einspritzdüse anstelle des Druckregulierventils 34 angeordnet werden, und der Druck des Brenngases kann dann durch Steuern des Ein-Aus-Zustands der Einspritzdüse reguliert werden.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellen-Steuerungsvorrichtung und Brennstoffzellensystem
  • Die vorliegende Erfindung mindert eine Verschlechterung der Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle, die durch eine hohe Feuchtigkeitskonzentration an der Oxidationselektrode bewirkt wird. Eine Steuerungsvorrichtung (50) für eine Brennstoffzelle (10), die eine Elektrolytmembran (11), eine Oxidationselektrode, die auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Brennstoffelektrode, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist, aufweist, in der anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt wird, führt, wenn die Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle (10) einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist, einen Steuerungsbetrieb aus, der den Gasdruck an der Oxidationselektrode erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 05-47394 A [0002, 0003]
    • - JP 2004-127914 A [0002, 0004]
    • - JP 2004-220794 A [0002, 0005, 0005]
    • - JP 2004127914 A [0004]

Claims (4)

  1. Steuerungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, in der eine elektrische Leistung anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, erzeugt wird, wobei, die Steuerungsvorrichtung einen Steuerungsbetrieb ausführt, der einen Gasdruck an der Oxidationselektrode erhöht, wenn Strom-Spannungs-Kennwerte der Brennstoffzelle einen vorbestimmten Referenzwert unterschreiten und die Austrocknung der Elektrolytmembran nicht so weit vorangeschritten ist, dass ein vorbestimmter Referenzwert überschritten ist.
  2. Steuerungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Steuerungsbetrieb ein Ausführen eines ersten Steuerungsablaufs beinhaltet, der einen Gasdruck an der Oxidationselektrode im Anschluss an eine Beendung eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs von dem Hochlastbetrieb in einen Niederlastbetrieb erhöht.
  3. Steuerungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei in einem Fall, wo der erste Steuerungsablauf nicht in der Lage ist, eine Verschlechterung der Strom-Spannungs-Kennwerte zufriedenstellend abzuschwächen, der Steuerungsbetrieb ein Ausführen eines zweiten Steuerungsablaufs beinhaltet, der einen Gasdruck an der Oxidationselektrode vor einem Starten eines Hochlastbetriebs während eines Übergangs von einem Niederlastbetrieb in einen Hochlastbetrieb erhöht.
  4. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran, eine auf der einen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Oxidationselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnete Brennstoffelektrode aufweist, und in der anhand eines Oxidationsgases, das der Oxidationselektrode zugeführt wird, und eines Brenngases, das der Brennstoffelektrode zugeführt wird, elektrische Leistung erzeugt wird, und eine Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die die Brennstoffzelle steuert.
DE112008001711.5T 2007-07-04 2008-06-30 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben Expired - Fee Related DE112008001711B4 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007-175968 2007-07-04
JP2007175968A JP2009016155A (ja) 2007-07-04 2007-07-04 燃料電池の制御装置および燃料電池システム
PCT/JP2008/062249 WO2009005161A1 (ja) 2007-07-04 2008-06-30 燃料電池の制御装置および燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE112008001711T5 true DE112008001711T5 (de) 2010-06-10
DE112008001711B4 DE112008001711B4 (de) 2014-10-23

Family

ID=40226196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112008001711.5T Expired - Fee Related DE112008001711B4 (de) 2007-07-04 2008-06-30 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20100136440A1 (de)
JP (1) JP2009016155A (de)
CN (1) CN101730955B (de)
DE (1) DE112008001711B4 (de)
WO (1) WO2009005161A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201335A1 (de) * 2014-01-24 2015-07-30 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung
US10971743B2 (en) 2014-04-10 2021-04-06 Hyundai Motor Company System and method for controlling performance of fuel cell stack

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4530176B2 (ja) * 2006-10-26 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP2012205330A (ja) * 2011-03-24 2012-10-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5383737B2 (ja) * 2011-04-08 2014-01-08 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその発電停止方法
JP7211129B2 (ja) * 2019-02-06 2023-01-24 三菱自動車工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0547394A (ja) 1991-08-08 1993-02-26 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法
JP2004127914A (ja) 2002-07-29 2004-04-22 Denso Corp 燃料電池システム
JP2004220794A (ja) 2003-01-09 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3584511B2 (ja) * 1994-12-12 2004-11-04 トヨタ自動車株式会社 高分子電解質型燃料電池の運転制御方法
KR0171207B1 (ko) * 1994-11-11 1999-03-30 와다 아키히로 고분자 전해질형 연료 전지와 그 운전 제어 방법
JP2002227799A (ja) * 2001-02-02 2002-08-14 Honda Motor Co Ltd 可変流量エゼクタおよび該可変流量エゼクタを備えた燃料電池システム
US6586123B1 (en) * 2001-02-07 2003-07-01 Utc Fuel Cells, Llc Variable stochiometry fuel cell
JP2002352827A (ja) * 2001-05-22 2002-12-06 Denso Corp 燃料電池システム
JP3852362B2 (ja) 2002-04-15 2006-11-29 日産自動車株式会社 燃料電池の燃料ガス制御装置
DE10246168A1 (de) * 2002-10-02 2004-04-15 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzelle mit Regulierung des Wassergehalts der Reaktanden
CN1706065A (zh) * 2003-02-20 2005-12-07 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
JP4742486B2 (ja) * 2003-04-10 2011-08-10 日産自動車株式会社 燃料電池の発電量制御装置
DE102004012332A1 (de) * 2004-03-11 2005-09-29 Masterflex Ag Brennstoffzellenanordnung
JP4715103B2 (ja) * 2004-03-26 2011-07-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4687023B2 (ja) * 2004-07-06 2011-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2006032092A (ja) * 2004-07-15 2006-02-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4982977B2 (ja) 2005-07-04 2012-07-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2007042305A (ja) * 2005-07-29 2007-02-15 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0547394A (ja) 1991-08-08 1993-02-26 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法
JP2004127914A (ja) 2002-07-29 2004-04-22 Denso Corp 燃料電池システム
JP2004220794A (ja) 2003-01-09 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014201335A1 (de) * 2014-01-24 2015-07-30 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung
US10971743B2 (en) 2014-04-10 2021-04-06 Hyundai Motor Company System and method for controlling performance of fuel cell stack
DE102014218660B4 (de) 2014-04-10 2022-07-14 Hyundai Motor Company Verfahren und Steuerglied zum Steuern der Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels

Also Published As

Publication number Publication date
US20100136440A1 (en) 2010-06-03
US20140154603A1 (en) 2014-06-05
US9147900B2 (en) 2015-09-29
DE112008001711B4 (de) 2014-10-23
WO2009005161A1 (ja) 2009-01-08
JP2009016155A (ja) 2009-01-22
CN101730955A (zh) 2010-06-09
CN101730955B (zh) 2013-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007059999B4 (de) Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels zum Mindern von Brennstoffzellen-Verschlechterung aufgrund von Einschalten und Abschalten mittels Wasserstoff-/Stickstoffspeicherung
DE112005002853B4 (de) Brennstoffzellenenergiesystem und Verfahren
DE112008001769T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem
DE112008001711B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
DE112011101590B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem
DE102009007173B4 (de) Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Begrenzen des Ausgangsstroms eines Brennstoffzellenstapels
DE102015119429B4 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE112009004786T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102013218144B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems
DE112004000811T5 (de) Betriebssteuerung für ein Brennstoffzellensystem
DE112008002321T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür
DE112008003004T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Begrenzung des Stroms derselben
DE102014224275A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
DE112008001025T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE112005000827T5 (de) Steuerungsvorrichtung und Steuerverfahren für Brennstoffzelle
DE112012006314T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102014210511A1 (de) Brennstoffzellenverwaltungsverfahren
DE112004000827T5 (de) Betriebssteuerung eines Brennstoffzellensystems
DE112008001827T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Steuerung
DE112005000061B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems
DE112011101361T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür
DE102020114270A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems
DE112013006226T5 (de) Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem
DE102018213117A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
DE102015117240A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R082 Change of representative

Representative=s name: KUHNEN & WACKER PATENT- UND RECHTSANWALTSBUERO, DE

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R084 Declaration of willingness to licence
R020 Patent grant now final
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008047460