DE112008001769T5 - Brennstoffzellensystem und Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem Download PDF

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Takuya Toyota-shi Hashimoto
Hideki Toyota-shi Kubo
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Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind, wobei das System umfaßt eine Steuereinheit, die die Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases steuert, falls die Elektrolytmembran trocken ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine Steuereinheit für das Brennstoffzellensystem.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das zur Leistungserzeugung mittels eines der Oxidanselektrode zugeführten Oxidansgases, wie Sauerstoff einschließende Luft, und eines der Brennstoffelektrode zugeführten, Wasserstoff einschließenden Brenngases eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite vorgesehene Brennstoffelektrode besitzt (siehe beispielsweise die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-127914 und 2000-340241 ).
  • Bei einem solchen Brennstoffzellensystem wird, wenn der Wassergehalt in der Elektrolytmembran unzureichend wird, die Impedanz der Elektrolytmembran hoch und die Ausgangsleistung der Zelle sinkt.
  • Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-127914 schlägt als eine Maßnahme zur Verhinderung des Absinkens der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle infolge eines ungenügenden Wassergehalts der Elektrolytmembran vor, den Wasserstoffdruck niedriger als den Luftdruck einzustellen, falls der Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zu gering ist, um dadurch die Verschiebung von Wasser von der Seite der Oxidanselektrode zur Brennstoffelektrode über die Elektrolytmembran zu fördern.
  • Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-340241 offenbart eine Maßnahme, bei der Sauerstoff enthaltendes Gas einer Oxidanselektrode mit einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der eines der Brennstoffelektrode zugeführten, Wasserstoff enthaltenden Gases, wodurch auf der Seite der Oxidanselektrode erzeugtes Wasser durch den Druckunterschied auf die Seite der Brennstoffelektrode abgeführt und der Wasserbedarf auf der Seite der Brennstoffelektrode kompensiert wird.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Jedoch kann bei der durch die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2004-127914 offenbarte Maßnahme durch die Absenkung des Wasserstoffdrucks ein Zustand hervorgerufen werden, in dem der für die Leistungserzeugung benötigte Wasserstoff unzureichend wird, d. h. ein Zustand mit Wasserstoffdefizit.
  • Die vorliegende Erfindung sieht deshalb ein Brennstoffzellensystem vor, das fähig ist, für eine gleichförmige Verteilung des Wassergehalts in einer Elektrolytmembran zu sorgen, ohne den Druck des Brenngases abzusenken.
  • Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem besitzt eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode, in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind. Das Brennstoffzellensystem besitzt eine Steuereinheit, die die Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases steuert, falls die Elektrolytmembran trocken ist.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung führt die Steuereinheit die Steuerung der Absenkung des Brenngasdrucks im Brenngasströmungskanal durch, falls die Elektrolyt membran trocken ist und der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ein vorgegebener Hochlastzustand ist.
  • Eine Steuereinheit gemäß der vorliegende Erfindung ist für ein Brennstoffzellensystem bestimmt, das eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode umfaßt, in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind. Die Steuereinheit führt eine Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases durch, falls die Elektrolytmembran trocken ist.
  • Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung führt die Steuereinheit eine Steuerung der Absenkung des Brenngasdrucks im Brenngasströmungskanal durch, falls die Elektrolytmembran trocken ist und der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ein vorgegebener Hochlastzustand ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung stellen, das fähig ist, eine gleichförmige Verteilung des Wassergehalts in einer Elektrolytmembran herzustellen, ohne den Druck des Brenngases abzusenken.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 2 ist ein schematischer Querschnitt, der die Gestaltung einer Brennstoffzelle darstellt;
  • 3 ist ein Ablaufdiagramm, das das von einer Steuereinheit ausgeführte Programm zeigt;
  • 4 ist eine schematische Darstellung des Zustandes, in dem eine Elektrolytmembran trocken ist, und
  • 5 ist eine schematische Darstellung des Zustandes, in dem der Wasserstoffdurchfluß erhöht ist.
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Die 1 ist ein Blockschaltbild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 ist ein System zur Leistungserzeugung mittels eines Oxidansgases und eines Brenngases. Bei der Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 1 in ein Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut. Jedoch ist die Anwendung der Erfindung nicht auf ein Brennstoffzellenfahrzeug beschränkt.
  • In 1 besitzt das Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 10. Die Brennstoffzelle 10 wird mit Oxidansgas und Brenngas versorgt und erzeugt Leistung. Konkret ist das Oxidansgas ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie Luft, und das Brenngas ist ein Wasserstoff enthaltendes Gas. Die Brennstoffzelle erzeugt Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Die Brennstoffzelle 10 ist beispielsweise eine Brennstoffzelle mit einem festen Polyelektrolyt.
  • Die 2 ist ein schematischer Querschnitt, der die Gestaltung der Brennstoffzelle 10 darstellt. Die Gestaltung der Brennstoffzelle 10 wird unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben. Bei der Ausführungsform besitzt die Brennstoffzelle eine stapelförmige Struktur, in der eine Anzahl von Brennstoffzellen gestapelt ist. Zur Vereinfachung zeigt die 2 eine einzelne Zelle.
  • In 2 schließt die Brennstoffzelle 10 eine Elektrolytmembran 11, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran 11 vorgesehene (Kathode genannte) Oxidanselektrode 12 und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene (Anode genannte) Brennstoffelektrode 13 ein. Konkret schließt die Brennstoffzelle 10 eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ein, die durch Verbindung der Oxidanselektrode 12 und der Brennstoffelektrode 13 mit der Elektrolytmembran 11 erhalten wird.
  • Auf der äußeren Oberfläche der Oxidanselektrode 12 ist ein Oxidansgasströmungskanal 14 zur Zufuhr des Oxidansgases zur Oxidanselektrode 12 längs der Oberfläche der Oxidanselektrode 12 vorgesehen. Auf der äußeren Oberfläche der Brennstoffelektrode 13 ist ein Brenngasströmungskanal 15 zur Zufuhr des Brenngases zur Brennstoffelektrode 13 längs der Oberfläche der Brennstoffelektrode 13 vorgesehen. Genauer ist auf der äußeren Oberfläche der Oxidanselektrode 12 über eine Diffusionsschicht 16 ein Separator angebracht, in dem der Oxidansgasströmungskanal 14 ausgebildet ist. Auf der äußeren Oberfläche der Brennstoffelektrode 13 ist über eine Diffusionsschicht 17 ein Separator angebracht, in dem der Brenngasströmungskanal 15 ausgebildet ist.
  • Bei der Ausführungsform sind der Oxidansgasströmungskanal 14 und der Brenngasströmungskanal 15 derart vorgesehen, daß die Strömungsrichtungen des Oxidansgases im Oxidansgasströmungskanal 14 und des Brenngases im Brenngasströmungskanal 15 einander entgegengesetzt sind. In diesem Falle können die Strömungsrichtungen des Oxidansgases und des Brenngases in wenigstens einem Teilbereich in der Oberfläche der Brennstoffzelle 10 einander entgegensetzt sein oder einander in schräger Richtung entgegengesetzt sein.
  • Die Leistungserzeugungsaktion der Brennstoffzelle 10 wird nun beschrieben. Das Oxidansgas wird dem Oxidansgasströmungskanal 14 über einen Einlaß 14A des Kanals zugeführt, so daß das Oxidansgas zur Oxidanselektrode 12 gelangt. Indessen wird das Brenngas dem Brenngasströmungskanal 15 über einen Einlaß 15A des Kanals zugeführt, so daß das Brenngas zur Brennstoffelektrode 13 gelangt. Die Brennstoffzelle 10 erzeugt Leistung mittels des der Oxidanselektrode 12 zugeführten Oxidansgases und des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Brenngases. Konkret tritt mittels eines Platinkatalysators oder dergleichen eine durch die folgende Gleichung (1) dargestellte Reaktion auf der Seite der Brennstoffelektrode 13 auf, eine durch die folgende Gleichung (2) dargestellte Reaktion auf der Seite der Oxidanselektrode 12 und insgesamt eine durch die folgende Gleichung (3) dargestellte Reaktion zur Erzeugung eines elektrischen Potentials über eine Membran hinweg. H2 → 2H+ + 2e– (1) 2H+(1/2)O2 + 2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
  • Ein Kathodenabgas wird vom Oxidansgasströmungskanal 14 über einen Auslaß 14B abgeführt, und ein Anodenabgas aus dem Brenngasströmungskanal 15 über einen Auslaß 15B.
  • Wieder auf 1 Bezug nehmend, ist mit dem Einlaß des Oxidansgasströmungskanals 14 ein Oxidansversorgungskanal 22 verbunden, um von einem Kompressor 21 geförderte Luft dem Oxidansgasströmungskanal 14 zuzuführen. Indessen ist ein Kanal 23 für eine Oxidansabgasströmung zur Ableitung eines aus dem Oxidansgasströmungskanal 14 austretenden Kathodenabgases nach außen mit dem Auslaß des Oxidansgasströmungskanals 14 verbunden. Der Kanal 23 für eine Oxidansabgasströmung ist mit einem Druckeinstellventil 24 zur Einstellung des Gasdrucks im Strömungskanal versehen. Obwohl in 1 nicht gezeigt, ist jeder der mit dem Oxidansgasströmungskanal 14 verbundenen Strömungskanäle 22 und 23 mit einem Druckfühler zum Messen des Gasdrucks im Strömungskanal, einem Ventil zum Öffnen/Schließen des Strömungskanals (Luftabsperrventil), einem Befeuchtermodul und dergleichen versehen.
  • Indessen ist ein Strömungskanal 32 für die Brennstoffversorgung zur Zuleitung des von einem Wasserstofftank 31 zur Speicherung von Wasserstoffhochdruckgas zugeführten Wasserstoffs zum Brenngasströmungskanal 15 mit dem Einlaß des Brenngasströmungskanals 15 verbunden. Ein Kreislaufströmungskanal 33 zur Rückführung des aus dem Brenngasströmungskanal 15 abgegebenen Anodenabgases zum Strömungskanal 32 für die Brennstoffversorgung ist mit dem Auslaß des Brenngasströmungskanals 15 verbunden. Der Strömungskanal 32 für die Brennstoffversorgung ist mit einem Druckeinstellventil 34 zur Einstellung des Gasdrucks im Strömungskanal versehen. Der Kreislaufströmungskanal 33 ist mit einer Wasserstoffpumpe 38 versehen, um Wasserstoff in Umlauf zu bringen. Ein Brennstoffabgasströmungskanal 35 zur Führung des aus dem Brenngasströmungskanal 15 nach außen abgegebenen Anodenabgases ist mit dem Kreislaufströmungskanal 33 verbunden. Der Brennstoffabgasströmungskanal 35 ist mit einem Ablaßventil 36 zum Öffnen/Schließen des Strömungskanals versehen. Obwohl nicht in 1 gezeigt, ist jeder der mit dem Brenngasströmungskanal 15 verbundenen Strömungskanäle 32 und 33 mit einem Druckfühler zur Messung des Gasdrucks im Strömungskanal, einem Ventil zum Öffnen/Schließen der Strömungskanals (Luftabsperrventil) und dergleichen versehen.
  • Eine externe Last 41 ist elektrisch mit der Brennstoffzelle 10 verbunden. Die elektrische Last 41 ist beispielsweise ein Gleichstromumrichter, eine Last (wie ein Akkumulator, ein Kondensator, ein Zubehör, ein Widerstand, oder dergleichen), die mit der Brennstoffzelle 10 über den Gleichstromumrichter verbunden ist, oder dergleichen.
  • Des weiteren besitzt das Brennstoffzellensystem 1 eine Impedanzmeßeinheit 43 zur Messung der Impedanz der Brennstoffzelle 10, und eine Steuereinheit 50 zur Steuerung des gesamten Brennstoffzellensystems 1. Konkret steuert die Steuereinheit 50 zu steuernde Vorrichtungen (den Kompressor 21, das Druckeinstellventil 24, die Wasserstoffpumpe 38, das Druckeinstellventil 34 und dergleichen) basierend auf verschiedenen Arten eingegebener Informationen (wie ein Ausgangswert der Impedanzmeßeinheit 43).
  • Die Steuereinheit 50 kann durch jede geeignete Gestaltung realisiert werden. Bei der Ausführungsform schließt die Steuereinheit 50 eine CPU (Zentraleinheit), ein ROM (Festwertspeicher), einen Hauptspeicher und dergleichen ein. Die Funktion der Steuereinheit 50 wird realisiert, wenn durch die CPU ein in einem Speichermittel, wie dem ROM, gespeichertes Steuerprogramm abgearbeitet wird.
  • Bei der Ausgestaltung nimmt die Impedanz der Elektrolytmembran 11 zu, wenn die Elektrolytmembran 11 austrocknet, und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 sinkt.
  • Demzufolge führt die Steuereinheit 50 unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung eines Absinkens der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 aufgrund von Trockenheit der Elektrolytmembran 11 die unten beschriebene Steuerung durch. Insbesondere in dem Falle, in welchem die Elektrolytmembran 11 trocken ist, führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung durch, welche den Durchfluß des im Brenngasströmungskanal 15 strömenden Brenngases erhöht. Konkret stellt die Steuereinheit 50 fest, ob die Elektrolytmembran 11 trocken ist oder nicht. Wenn die Feststellung getroffen wird, daß die Elektrolytmembran 11 trocken ist, führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Erhöhung des Durchflusses des im Brenngasströmungskanal 15 strömenden Brenngases durch,
  • „Erhöhung des Brenngasdurchflusses” bedeutet die Erhöhung des Brenngasdurchflusses auf einen Wert, der größer ist als jener zu einem normalen Zeitpunkt. Konkret bedeutet es, den Durchfluß des Brenngases unter Benutzung des vorab entsprechend einem Zielwert der Leistungsausgabe eingestellten Brenngasdurchflusses, beispielsweise ein Brenngasdurchfluß, der einem Zielwert der Leistungsausgabe in einem vorbereiteten Kennfeld für die Steuerung entspricht, als Bezugsgröße.
  • Bei der Ausführungsform stellt die Steuereinheit 50 auf der Basis der von der Impedanzmeßeinheit 43 gemessenen Impedanz fest, ob die Elektrolytmembran 11 trocken ist oder nicht. Die Feststellung, ob die Elektrolytmembran 11 trocken ist oder nicht, kann auch auf andere Weise getroffen werden.
  • Bei der Ausführungsform führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Erhöhung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 38 durch, um die Erhöhung des Brenngasdurchflusses zu steuern. Die Erhöhung des Brenngasdurchflusses kann auch auf andere Weise realisiert werden.
  • Bei der Ausführungsform führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Absenkung des Brenngasdrucks im Brenngasströmungskanal 15 durch, wenn die Elektrolytmembran 11 trocken ist und der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 ein vorgegebener Hochlastzustand ist, wodurch die Verschiebung des Wassergehalts von der Seite der Oxidanselektrode 12 zur Seite der Brennstoffelektrode 13 gefördert wird.
  • Bei einem Aspekt führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Absenkung des Brenngasdrucks unter dem Gesichtspunkt durch, daß der Brenngasdurchfluß zunimmt, wenn die Last größer wird, und dem Brenngasdurchfluß eine Obergrenze zugeordnet ist, falls ein Hochlastzustand eintritt, bei dem der Brenngasdurchfluß nicht erhöht werden kann.
  • Konkret führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Senkung des Wasserstoffdrucks durch, falls die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 38 eine vorgegebene Drehzahl erreicht, unter dem Gesichtspunkt, daß die Obergrenze bei der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 38 festgelegt ist.
  • Bei einem anderen Aspekt führt die Steuereinheit 50 unter dem Gesichtspunkt, daß der Brenngasdruck zunimmt und dann das Risiko eines durch Sinken des Brenngasdrucks verursachten Brenngasmangels bei zunehmender Last verringert wird, falls ein Hochlastzustand auftritt, bei dem der Brenngasdruck abgesenkt werden kann, eine Steuerung zur Senkung des Brenngasdrucks durch.
  • Konkret führt die Steuereinheit 50 unter dem Gesichtspunkt, daß die Möglichkeit eines Wasserstoffmangels gering ist, wenn der Wasserstoffdruck hoch ist, falls der Wasserstoffdruck einen vorgegebenen oder höheren Druck aufweist, eine Steuerung zur Absenkung des Wasserstoffdrucks durch.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt führt die Steuereinheit 50 eine Steuerung zur Absenkung des Brenngasdrucks durch, falls eine geforderte Ausgangsleistung ein vorgegebener oder höherer Wert ist.
  • Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 konkret beschrieben, das diese Gestaltung aufweist.
  • Gemäß einer geforderten Ausgangsleistung bestimmt die Steuereinheit 50 unter Bezugnahme auf ein voreingestelltes Strom-Spannungs-Kennfeld (I-V-Kennfeld) der Brennstoffzelle 10 Zielwerte der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms. Gemäß den Zielwerten der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms und durch Bezugnahme auf das vorbereitete Kennfeld für die Steuerung bestimmt die Steuereinheit 50 Zielwerte des Drucks und des Durchflusses der der Oxidanselektrode 12 zugeführten Luft und des Drucks und des Durchflusses des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Wasserstoffs. Die Steuereinheit 50 steuert das Druckeinstellventil 24, den Kompressor 21, das Druckeinstellventil 34 und die Wasserstoffpumpe 38 derart, daß der Druck und der Durchfluß der der Oxidanselektrode 12 zugeführten Luft und der Druck und der Durchfluß des der Brennstoffelektrode 13 zugeführten Wasserstoffs ihre Zielwerte erreichen. Während der Steuerung der Drücke und der Durchflüsse auf die Zielwerte können ein Druckfühler und ein Durchflußmesser benutzt werden.
  • Mittels der Steuerung durch die Steuereinheit 50 wird Wasserstoff über den Strömungskanal 32 für die Brennstoffversorgung vom Wasserstofftank 31 dem Brenngasströmungskanal 15 zugeführt, sowie Luft vom Kompressor 21 über den Oxidansversorgungskanal 22 dem Oxidansgasströmungskanal 14, und die Brennstoffzelle 10 erzeugt Leistung.
  • Vom Brenngasströmungskanal 15 wird Anodenabgas abgeführt, das Wasserstoff einschließt, der nicht zur Reaktion beigetragen hat. Das Anodenabgas durchquert den Kreislaufströmungskanal 33 und wird wieder dem Brenngasströmungskanal 15 zugeführt. Weil zu diesem Zeitpunkt das Anodenabgas andere Verunreinigungen als Wasserstoff enthält, sinkt die Wasserstoffkonzentration im Anodenabgas während des Verlaufs des Kreislaufs. Demzufolge wird das Ablaßventil 36 zu einem geeigneten Zeitpunkt geöffnet und das Anodenabgas, dessen Wasserstoffkonzentration absinkt, wird über den Brennstoffabgasströmungskanal 35 zur Außenseite abgeleitet.
  • Indessen wird das Kathodenabgas vom Oxidansgasströmungskanal 14 abgeleitet und über den Kanal 23 für die Oxidansabgasströmung zur Außenseite abgeleitet.
  • Bei der Ausführungsform führt die Steuereinheit 50 das in 3 dargestellte Verfahren durch, um eine Abnahme der Batterieleistung aufgrund einer Trockenheit der Elektrolytmembran 11 zu verhindern. Das in 3 gezeigte Verfahren wird, wie jeweils angemessen, wiederholt ausgeführt.
  • In 3 empfängt die Steuereinheit 50 die von der Impedanzmeßeinheit 43 gemessene Impedanz der Brennstoffzelle 10 (S1).
  • Anschließend stellt die Steuereinheit 50 fest, ob die erhaltene Impedanz gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist oder größer als dieser (S2).
  • Falls festgestellt wird, daß die Impedanz nicht gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist oder größer als dieser (NEIN bei S2), ändert die Steuereinheit 50 die Betriebsbedingungen, wie Druck und Durchfluß, nicht (S3).
  • Andererseits, falls festgestellt wird, daß die Impedanz gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist oder größer als dieser (JA bei S2), stellt die Steuereinheit 50 fest, ob sich der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 in einem vorgegebenen Hochlastzustand befindet oder nicht (S4). Beispielsweise stellt die Steuereinheit 50 fest, ob die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 38 den oberen Grenzwert erreicht hat oder nicht.
  • Falls die Feststellung erfolgt, daß der Betriebszustand nicht der vorgegebene Hochlastzustand ist (NEIN bei S4), d. h. im Falle einer Aktion mit geringer Last (beispielsweise Aktion im Normallastbereich), erhöht die Steuereinheit 50 die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 38 nur um eine vorgegebene Drehzahl (S5). Als Ergebnis nimmt der Durchfluß des Wasserstoffs im Brenngasströmungskanal 15 zu, die Verschiebung des Wassergehalts in der Brennstoffzelle 10 wird gefördert (d. h. die interne Befeuchtungswirkung wird erhöht), die Verteilung des Wassergehalts in der Brennstoffzelle 10 wird gleichmäßig gemacht und die Impedanz der Brennstoffzelle 10 sinkt.
  • Andererseits steuert die Steuereinheit 50 das Druckeinstellventil 34 zur Absenkung des Wasserstoffdrucks (S6), falls die Feststellung getroffen wird, daß der Betriebszustand der vorgegebene Hochlastzustand ist (JA bei S4), d. h. im Falle einer Hochlastaktion (beispielsweise, wenn eine maximale Leistungsabgabe gefordert ist). Als Ergebnis wird der Druck (Anodendruck) des Wasserstoffs auf der Seite der Brennstoffelektrode 13 geringer als der Druck (Kathodendruck) auf der Seite der Luft an der Oxidanselektrode 12. Auf Grund der Druckdifferenz wird die Übertragung von Wasser von der Seite der Oxidanselektrode 12 zur Seite der Brennstoffelektrode 13 gefördert und die Impedanz der Brennstoffzelle 10 sinkt.
  • Die 4 ist eine schematische Darstellung des Zustandes, in dem eine Elektrolytmembran 11 trocken ist. Die 5 ist eine schematische Darstellung des Zustandes, in dem der Wasserstoffdurchfluß erhöht ist. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 beschrieben, wie durch Erhöhung des Wasserstoffdurchflusses bei der Elektrolytmembran 11 eine gleichmäßige Verteilung des Wassergehalts erreicht wird. in den 4 und 5 zeigen Pfeile an unterbrochenen Linien die Verschiebung von Wasser an.
  • Wie in 4 gezeigt, ist, wenn trocken, die stromauf gelegene Seite des Luftstroms in der Elektrolytmembran 11 trocken und die stromab gelegene Seite feucht, weil das durch die Oxidanselektrode 12 erzeugte Wasser durch die Luftströmung bewegt wird.
  • In der Elektrolytmembran 11 tritt auf der Seite der Oxidanselektrode 12 befindliches Wasser auf die Seite der Brennstoffelektrode 13 über. Bei der Ausführungsform sind die Strömungsrichtungen der Luft und des Wasserstoffs einander entgegengesetzt. Die stromab gelegene Seite der Luft entspricht der stromauf gelegenen Seite des Wasserstoffs und die stromauf gelegene Seite der Luft der stromab gelegenen Seite des Wasserstoffs. Folglich ist auf der Seite der Brennstoffelektrode 13 die stromauf gelegene Seite des Wasserstoffs feucht und die stromab gelegene Seite des Wasserstoffs trocken.
  • Bei dem in 4 gezeigten Zustand nimmt die Effizienz der Leistungserzeugung aufgrund des trockenen Zustands der Elektrolytmembran 11 auf der stromauf gelegenen Seite der Luft ab; die Leistungserzeugung wird auf die stromab gelegene Seite konzentriert und die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 insgesamt nimmt ab. Ein derartiger, trockener Zustand wird beispielsweise durch einen Niederlastbetrieb, Hochtemperaturbetrieb oder dergleichen verursacht.
  • In einem solchen Falle nimmt, wie in 5 gezeigt, die Verschiebemenge des Wassers von der stromauf gelegenen Seite des Wasserstoffs zu der stromab gelegenen Seite auf des Seite der Brennstoffelektrode 13 in der Fläche (face) der Brennstoffzelle 10 ab, wenn der Wasserstoffdurchfluß erhöht wird. Bei dem in 4 gezeigten trockenen Zustand ist die stromauf gelegene Seite des Wasserstoffs feucht und die stromab gelegene Seite ist trocken. Folglich wird aufgrund der Zunahme des Wasserstoffdurchflusses die gleichförmige Verteilung des Wassergehalts in der Fläche auf der Seite der Brennstoffelektrode 13 gefordert. In Verbindung mit dem Obigen nimmt das Ausmaß der Verschiebung des Wassergehalts von der Seite der Oxidanselektrode 12 auf der stromab gelegenen Seite der Luft (der stromauf gelegenen Seite des Wasserstoffs) zur Seite der Brennstoffelektrode 13 ebenfalls zu und das Ausmaß der Verschiebung des Wassergehalts von der Seite der Brennstoffelektrode 13 auf der stromauf gelegenen Seite der Luft (der stromab gelegenen Seite des Wasserstoffs) zur Seite der Oxidanselektrode 12 nimmt ebenfalls zu. Als Ergebnis wird die Verteilung des Wassergehalts in der Elektrolytmembran 11 gleichförmig gemacht, ebenso die Verteilung der Leistungserzeugung, die Impedanz der Brennstoffzelle 10 sinkt und die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 10 verbessert sich.
  • Wie oben beschrieben, besitzt bei der Ausführungsform das Brennstoffzellensystem eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode. Im Brennstoffzellensystem sind ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode vorgesehen, so daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind. Falls die Elektrolytmembran trocken ist, wird eine Steuerung des zunehmenden Durchflusses des in den Brenngasströmungskanal einströmenden Brenngases durchgeführt. Dadurch kann bei der Ausführungsform mittels der Erhöhung des Durchflusses das Verschieben des Wassergehalts gefördert werden. Ohne den Druck des Brenngases abzusenken, kann die Verteilung des Wassergehalts in der Elektrolytmembran gleichförmig gemacht werden. Als Ergebnis kann ein Absinken der Leistungsabgabe der Zelle aufgrund einer Trockenheit der Elektrolytmembran verhindert oder reduziert werden, während das durch ein Absinken des Drucks im Brenngas verursachtes Auftreten eines Mangelzustands des Brenngases (konkret ein Mangel an Wasserstoff aufgrund eines Absinkens des Wasserstoffsrucks) vermieden oder reduziert wird.
  • Bei der Ausführungsform wird eine Steuerung der Druckabsenkung des Brenngases im Brenngasströmungskanal durchgeführt, falls die Elektrolytmembran trocken ist und der Betriebszustand ein vorbestimmter Hochlastzustand ist. Dadurch kann, falls im Hochlastzustand der Durchfluß des Brenngases nicht mehr erhöht werden kann, durch Absenken des Brenngasdrucks die Verteilung des Wassergehalts in der Elektrolytmembran gleichförmig gemacht werden. In einem Falle, in dem keine Möglichkeit besteht, daß ein Brenngasmangel (konkret ein Zustand des Wasserstoffmangels) auftritt, selbst wenn im Hochlastzustand der Brenngasdruck gesenkt wird, kann durch Absenken des Brenngasdrucks die Verteilung des Wassergehalts der Elektrolytmembran wirkungsvoll gleichförmig gemacht werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt, sondern kann in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen.
  • Beispielsweise kann anstelle des Druckeinstellventils 34 ein Injektor vorgesehen werden, um den Druck des Brenngases durch Steuerung des EIN/AUS-Zustands des Injektors einzustellen.
  • Bei der vorstehenden Ausführungsform wird das Verschieben des Wassers durch Absenken des Drucks des Brenngases im Hochlastzustand gefördert. Das Verschieben des Wassers kann auch durch Erhöhung des Drucks des Oxidansgases gefördert werden. Jedoch wird unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz (konkret: Verluste durch Zubehör) die Absenkung des Brenngasdrucks bevorzugt.
  • Zusammenfassung
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND STEUEREINHEIT FÜR DAS BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
  • Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem (1) zur Verfügung, das die Wasserverteilung in einer Elektrolytmembran selbst ohne Druckabsenkung ermöglicht und das eine Elektrolytmembran (11) umfaßt, sowie eine auf einer Seite der Elektrolytmembran (11) vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran (11) vorgesehene Brennstoffelektrode. Ein Oxidansgasströmungskanal (14) zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal (15) zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode sind derart vorgesehen, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases jener des Brenngases entgegengesetzt gerichtet ist. Eine Steuereinheit (50) führt eine Steuerung derart durch, daß der Durchfluß des im Brenngasströmungskanal (15) strömenden Brenngases erhöht wird, wenn die Elektrolytmembran (11) trocken ist.
  • 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.
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    • - JP 2004-340241 [0005]

Claims (4)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind, wobei das System umfaßt eine Steuereinheit, die die Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases steuert, falls die Elektrolytmembran trocken ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem, falls die Elektrolytmembran trocken ist und der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ein vorgegebener Hochlastzustand ist, die Steuereinheit die Steuerung der Absenkung des Brenngasdrucks im Brenngasströmungskanal durchführt.
  3. Steuereinheit für ein Brennstoffzellensystem, dieses umfassend eine Elektrolytmembran, eine auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und eine auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode, in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind, wobei die Steuereinheit eine Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases durchführt, falls die Elektrolytmembran trocken ist.
  4. Steuereinheit für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, welche, falls die Elektrolytmembran trocken ist und der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems ein vorgegebener Hochlastzustand ist, die Steuerung der Absenkung des Brenngasdrucks im Brenngasströmungskanal durchführt.
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