DE112008003372T5

DE112008003372T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008003372T5
Application number: DE112008003372T
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Toyota Orihashi; Tsunemasa Toyota Nishida; Hitoshi Toyota Hamada; Kenichi Toyota Tokuda; Junji Toyota Nakanishi; Tsutomu Toyota Ochi; Shinji Toyota Matsuo; Takahiro Toyota Nitta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-12-02
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2028-12-03
Also published as: JP2009146748A; DE112008003372B4; US20100266915A1; CN101897068B; US8415063B2; DE112008003372B8; WO2009078269A1; CN101897068A; JP4389996B2

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle,
ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und
ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst;
wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist:
ein Drucksteuerungsmittel, welches einen Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases auf einen Druck einstellt, der höher ist als ein Druck eines Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Verhinderung eines anomalen elektrischen Potentials in einem Brennstoffzellensystem.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Im Allgemeinen weist eine Brennstoffzelle eine Membran/Elektroden-Anordnung auf, die ein Paar Elektroden (eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode), die an zwei Seiten einer Elektrolytmembran anliegen, und ein Paar Brennstoffzellen-Separatoren, die an zwei Seiten der Membran/Elektroden-Anordnung anliegen, aufweist. Die Anodenelektrode weist eine Anodenelektroden-Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht auf. Die Kathodenelektrode weist eine Kathodenelektroden-Katalysatorschicht und eine Diffusionsschicht auf. Wenn Wasserstoffgas als Anodengas verwendet wird, das zur Anodenelektrode geliefert wird, und Sauerstoffgas als Kathodengas verwendet wird, das zur Kathodenelektrode geliefert wird, läuft während einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle eine Reaktion ab, die Wasserstoffionen und Elektronen auf der Anodenelektroden-Seite erzeugt. Die Wasserstoffionen wandern durch die Elektrolytmembran zur Kathodenelektroden-Seite, während die Elektronen die Kathodenelektrode über einen externen Kreislauf erreichen. Auf der Kathodenelektroden-Seite reagieren die Wasserstoffionen, die Elektronen und das Sauerstoffgas, wodurch Feuchtigkeit erzeugt und Energie abgegeben wird.
Da die Kathodenelektroden-Seite einer Brennstoffzelle mit der Atmosphäre in Verbindung steht, gelangt normalerweise Luft aus der Atmosphäre in die Zellen der Brennstoffzelle, wenn die Leistungserzeugung unterbrochen ist. In manchen Fällen kann die eingedrungene Luft durch die Elektrolytmembran von der Kathodenelektroden-Seite zur Anodenelektroden-Seite wandern. Es gibt auch Brennstoffzellen, die Sauerstoffgas zur Anodenelektroden-Seite liefern, um die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zu unterbrechen, und Wasserstoffgas, das sich in der Anodenelektrode befindet, abzuführen.
Wenn, wie oben beschrieben, in einem Zustand, wo Luft (Sauerstoffgas) in der Anodenelektrode vorhanden ist, Anodengas, wie Wasserstoffgas, zu einer Brennstoffzelle geliefert wird, kommt es an der Anodenelektrode zu einem ungleichmäßigen Verteilungszustand von Anodengas und Luft. Infolgedessen bildet sich eine lokale Batterie in einem Bereich, wo das Anodengas ungleichmäßig verteilt ist, während in einem Bereich, wo Luft ungleichmäßig verteilt ist, Strom entgegengesetzt zur Richtung einer normalen Leistungserzeugung fließt. Infolgedessen kann das elektrische Potential der Brennstoffzelle zu einem anomalen Potential werden und die Kathodenelektrode korrodieren, wodurch die Leistungserzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle leidet.
Das Patentdokument 1 schlägt beispielsweise ein Brennstoffzellensystem vor, in dem der Druck eines Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf einen Druck eingestellt ist, der höher ist als der Druck eines Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird. Da gemäß dem im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellensystem beim Starten der Brennstoffzelle ein Anodengas mit einem hohen Druck zur Anodenelektrode geliefert wird, kann eine ungleichmäßige Luftverteilung innerhalb der Anodenelektrode unterdrückt werden, wodurch das Auftreten eines anomalen elektrischen Potentials gehemmt wird.
Da gemäß dem im Patentdokument 1 offenbarten Brennstoffzellensystem unter hohem Druck stehendes Anodengas zur Anodenelektrode geliefert wird, besteht jedoch ein großer Unterschied zwischen dem Gasdruck an der Anodenelektrode und dem Gasdruck an der Kathodenelektrode, und daher kann eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordnet ist, beschädigt werden.
Ferner offenbart beispielsweise das Patentdokument 2 ein Brennstoffzellensystem, in dem ein Druckunterschied zwischen dem Gasdruck einer Anodenelektrode und dem Gasdruck einer Kathodenelektrode auf oder unter einen vorgegebenen Wert geregelt wird, obwohl in diesem Fall der Druckunterschied nicht durch Starten einer Brennstoffzelle bewirkt wird. Gemäß dem im Patentdokument 2 offenbarten Brennstoffzellensystem kann ein Druckunterschied zwischen Gasen an einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode unter oder bei einem vorgegebenen Wert gehalten werden, und daher kann eine Beschädigung der Elektrolytmembran unterdrückt werden.

Patentdokument 1: japanische Patentveröffentlichung Nr. 2004-139984
Patentdokument 2: japanische Patentveröffentlichung Nr. 2002-373682

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Probleme, die mit der Erfindung zu lösen sind
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, welches ein beim Starten einer Brennstoffzelle auftretendes anomales elektrisches Potential in der Brennstoffzelle unterdrücken kann, und das außerdem eine Beschädigung einer Elektrolytmembran unterdrückt.
Mittel zur Lösung des Problems

(1) Die vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst, aufweist; wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Drucksteuerungsmittel aufweist, welches einen Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases auf einen Druck einstellt, der höher ist als ein Druck eines Anodengases, das während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.
(2) Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst, aufweist; wobei das Brennstoffzellensystem ferner ein Schätzmittel aufweist, das eine Gasmenge innerhalb der Anodenelektrode schätzt, sowie ein Drucksteuerungsmittel, welches einen Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases gemäß einer Gasmenge, die vom Schätzmittel geschätzt wird, einstellt und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.
(3) In dem Brennstoffzellensystem gemäß dem oben unter (1) oder (2) beschriebenden, weist die Brennstoffzelle vorzugsweise eine Elektrolytmembran sowie eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, zwischen denen die Elektrolytmembran angeordnet ist, auf; und das Drucksteuerungsmittel steuert das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und/oder das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so, dass ein Druckunterschied zwischen einem Druck eines Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einem Druck eines Kathodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, einen voreingestellten Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran nicht überschreitet.
(4) In dem Brennstoffzellensystem, das oben unter (2) beschrieben ist, schätzen die Schätzmittel vorzugsweise eine Gasmenge in der Anodenelektrode auf Basis eines Unterbrechungszeitraums der Brennstoffzelle oder einer Temperatur der Brennstoffzelle.

Vorteile der Erfindung
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Drucksteuerungsmittel auf, das den Druck eines Anodengases, das beim Starten einer Brennstoffzelle zugeführt wird, höher einstellt als den Druck des Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, und das außerdem ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß dem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird. Dadurch kann ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, welches das Auftreten eines anomalen elektrischen Potentials beim Starten einer Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle verhindern kann und das außerdem eine Beschädigung der Brennstoffzelle verhindern kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Darstellung eines Beispiels für Gasdrücke, die zu einer Brennstoffzelle geliefert werden, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform gestartet wird; und
3 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beschreibung von Symbolen

1, 2 Brennstoffzellensystem; 10 Brennstoffzelle; 12 Wasserstoffgas-Zylinder; 14 Luftkompressor; 16 Anodengas-Zufuhrkanal; 18 Anodengas-Umwälzweg; 20 Kathodengas-Zufuhrkanal; 22 Kathodengas-Abfuhrweg; 24 Injektor; 26 Wasserstoffkompressor; 28 Druckregulierungsventil; 32 Zeitnehmer; 34 Temperatursensor.

BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 10, einen Wasserstoffgaszylinder 12, einen Luftkompressor 14, einen Anodengas-Zufuhrkanal 16, einen Anodengas-Umwälzweg 18, einen Kathodengas-Zufuhrkanal 20, einen Kathodengas-Abfuhrweg 22, einen Injektor 24, einen Wasserstoffkompressor 26, ein Druckregulierungsventil 28 und eine ECU (elektronische Steuereinheit) 30 auf.
Nun wird der Aufbau der Brennstoffzelle 10, die im Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, beschrieben. Eine Einheitszelle der Brennstoffzelle 10 ist eine Zelle, die eine Elektrolytmembran mit Wasserstoffionen-Leitfähigkeit, eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, zwischen denen die Elektrolytmembran angeordnet ist, und ein Paar Brennstoffzellen-Separatoren, die an den Außenseiten der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode anliegen, aufweist. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Stapel mit mindestens einer Einheitszellenschicht auf.
Der Anodengas-Zufuhrkanal 16 ist mit einem (nicht dargestellten) Anodengaseinlass der Brennstoffzelle 10 und einem (nicht dargestellten) Auslass des Wasserstoffgas-Zylinders 12 verbunden. Der Injektor 24 ist im Anodengas-Zufuhrkanal 16 vorgesehen. Der Anodengas-Umwälzweg 18 ist mit einem (nicht dargestellten) Anodengasauslass der Brennstoffzelle 10 und mit dem Anodengas-Zufuhrkanal 16 verbunden. Obwohl nicht besonders beschränkt, ist der Anodengas-Umwälzweg vorzugsweise an einer Stelle stromabwärts vom Injektor 24 mit dem Anodengas-Zufuhrkanal 16 verbunden. Ein Anodengas (beispielsweise Wasserstoffgas), das vom Wasserstoffgas-Zylinder 12 geliefert wird, passiert den Anodengas-Zufuhrkanal 16 und wird über den Injektor 24 zur Brennstoffzelle 10 geliefert. Ein von der Brennstoffzelle 10 abgegebenes Anodengas passiert den Anodengas-Umwälzweg 18 und wird wieder zum Anodengas-Zufuhrkanal 16 geliefert. Der Wasserstoffkompressor 26 ist im Anodengas-Umwälzweg 18 vorgesehen, um zu bewirken, dass das Anodengas innerhalb des Anodengas-Umwälzwegs 18 effizient strömt.
Der Kathodengas-Zufuhrkanal 20 ist mit einem (nicht dargestellten) Kathodengaseinlass der Brennstoffzelle 10 und der (nicht dargestellten) Auslassöffnung des Luftkompressors 14 verbunden. Der Kathodengas-Abfuhrweg 22 ist mit einem (nicht dargestellten) Kathodengasauslass der Brennstoffzelle 10 verbunden. Das Druckregulierungsventil 28 ist im Kathodengas-Abfuhrweg 22 vorgesehen. Ein Kathodengas (beispielsweise Luft), das vom Luftkompressor 14 abgegeben wird, wird über den Kathodengas-Zufuhrkanal 20 zur Brennstoffzelle 10 geliefert. Ein von der Brennstoffzelle 10 abgegebenes Kathodengas passiert den Kathodengas-Abfuhrweg 22 und wird über das Druckregulierungsventil 28 aus dem Brennstoffzellensystem 1 abgeführt.
Der Injektor 24 passt den Druck eines Anodengases, das vom Wasserstoffgas-Zylinder 12 zur Brennstoffzelle 10 (genauer zur Anodenelektrode) geliefert wird, an und ist elektrisch mit der ECU 30 verbunden. Das Druckregulierungsventil 28 passt den Druck eines Kathodengases, das vom Luftkompressor 14 zur Brennstoffzelle 10 (genauer zur Kathodenelektrode) geliefert wird, an und ist elektrisch mit der ECU 30 verbunden. Die ECU 30 steuert grundsätzlich den Injektor 24 und das Druckregulierungsventil 28 und stellt einen Druck gemäß einem an der Brennstoffzelle 10 benötigten Gasdruck ein.
Wenn die Brennstoffzelle 10 angehalten worden ist, gelangt normalerweise Luft aus dem Kathodengas-Abfuhrweg 22 in die Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 10, falls der Kathodengas-Zufuhrkanal 20 und das Druckregulierungsventil 28 offen sind. Manchmal wandert die Luft, die in die Kathodenelektrode gelangt ist, durch die Elektrolytmembran von der Kathodenelektrode zur Anodenelektrode. Ferner ist ein Verbindungsweg vorgesehen, der den Kathodengas-Zufuhrkanal 20 und den Anodengas-Zufuhrkanal 16 stromabwärts vom Injektor 24 miteinander verbindet, und manchmal wird aufgrund der Zufuhr eines Kathodengases (Luft) zur Anodenelektroden-Seite Wasserstoffgas aus dem Inneren der Anodenelektrode abgeführt, und die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 10 wird unterbrochen.
Wenn beim Starten der Brennstoffzelle 10 ein Anodengas mit einem Gasdruck, der dem Gasdruck während einer Leistungserzeugung gleich ist, zugeführt wird, während Luft in der Anodenelektrode vorhanden ist, werden somit das Anodengas und Luft (Sauerstoff) an der Anodenelektrode ungleichmäßig verteilt. Als Folge davon bildet sich eine lokale Batterie in einem Bereich, in dem das Anodengas ungleichmäßig verteilt ist, während in einem Bereich, in dem Luft ungleichmäßig verteilt ist, Strom entgegengesetzt zur Richtung während einer normalen Leistungserzeugung strömt. Infolgedessen steigt das elektrische Potential der Brennstoffzelle 10 auf ein anomales elektrisches Potential, und die Kathodenelektrode kann z. B. korrodiert werden.
2 ist eine Darstellung eines Beispiels für Gasdrücke, die beim Starten des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform zur Brennstoffzelle geliefert werden. Die Vorgehensweise beim Starten des Brennstoffzellensystems ist nachstehend anhand von 1 und 2 beschrieben. Der Ausdruck „beim Starten der Brennstoffzelle 10”, wie er in dieser Schrift verwendet wird, bezeichnet einen Zustand ab dem Drücken eines „Start”-Schalters des Brennstoffzellensystems 1 (beispielsweise ab dem Einschalten eines Zündschalters) bis zur Verbindung des Brennstoffzellensystems 1 mit einem externen Verbraucher. Ferner bezeichnet der Ausdruck „während einer Leistungserzeugung” bzw. „während der Leistungserzeugung” einen Zustand, in dem das Brennstoffzellensystem 1 mit einem externen Verbraucher verbunden ist und Leistung erzeugt. Ferner bezeichnet der Ausdruck „wenn das Brennstoffzellensystem 10angehalten ist” einen Zustand, in dem der „Start”-Schalter des Brennstoffzellensystems auf AUS steht und eine Verbindung des Brennstoffzellensystems 1 mit einem externen Verbraucher unterbrochen worden ist.
Beim Starten der Brennstoffzelle 10 werden der Injektor 24 und das Druckregulierungsventil 28 von der in 1 dargestellten ECU 30 so gesteuert, dass der Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 geliefert wird, auf einen Druck eingestellt wird, der höher ist als der Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird. Wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird, beginnt außerdem eine Erhöhung des Kathodengasdrucks gemäß dem Beginn der Erhöhung des Anodengasdrucks. In diesem Fall werden in einem nachstehend beschriebenen Beispiel für die Vorgehensweise beim Starten der Brennstoffzelle 10 als Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, 150 kPa angenommen, und als Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, werden 300 kPa angenommen. Wie in 2 dargestellt, stellt die ECU 30 beim Starten der Brennstoffzelle 10 zuerst den Gasdruck-Anpassungswert des Injektors 24 auf 200 kPa ein und liefert ein Anodengas mit einem Druck von 200 kPa zur Brennstoffzelle 10 (A in 2). Dann stellt die ECU 30 den Gasdruck-Anpassungswert des Druckregulierungsventils 28 auf 150 kPa ein und liefert ein Kathodengas mit einem Druck von 150 kPa zur Brennstoffzelle 10 (B in 2). Anschließend stellt die ECU 30 den Gasdruck-Anpassungswert des Injektors 24 auf 300 kPa ein und liefert ein Anodengas mit einem Druck von 300 kPa zur Brennstoffzelle 10 (C in 2). Danach stellt die ECU 30 einhergehend mit einer Verbindung des Brennstoffzellensystems 1 mit einem externen Verbraucher den Gasdruck-Anpassungswert des Injektors 24 als Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, auf 150 kPa ein und bewirkt, dass die Brennstoffzelle 10 Leistung erzeugt (D in 2).
Obwohl gemäß dem oben beschriebenen Beispiel der Druck des Anodengases, das während einer Leistungserzeugung zugeführt wird, 150 kPa beträgt, kann der Druck des Anodengases, das während einer Leistungserzeugung zugeführt wird, auf einen Wert innerhalb eines Bereichs eingestellt werden, in dem eine ausreichende Leistungserzeugungsreaktion aufrechterhalten werden kann und in dem es zu keiner Gasverschwendung kommt. Ferner werden zwar als Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, 300 kPa angenommen, aber es reicht aus, den fraglichen Druck auf einen Druck einzustellen, der höher ist als der Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung zugeführt wird. Ferner wird zwar gemäß dem oben beschriebenen Beispiel der Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, allmählich auf 300 kPa erhöht, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und der Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, kann auch kontinuierlich bei 300 kPa gehalten werden. Da es ausreicht, mit der Erhöhung des Kathodengasdrucks gemäß dem Beginn der Erhöhung des Anodengasdrucks zu beginnen, ist es außerdem beim Erhöhen des Drucks des Anodengases auf den eingestellten Druck (beispielsweise 300 kPa) nicht nur möglich, mit der Erhöhung des Drucks des Kathodengases nach dem Beginn der Erhöhung des Anodenabgases zu beginnen, wie oben beschrieben, sondern es ist auch möglich, mit der Erhöhung des Drucks des Kathodengases gleichzeitig mit dem Beginn der Erhöhung des Drucks des Anodengases zu beginnen.
Vorzugsweise steuert die ECU 30 den Injektor 24 und/oder das Druckregulierungsventil 28 so, dass ein Druckunterschied zwischen dem Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 geliefert wird, und dem Druck des Kathodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 geliefert wird, einen Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der in der Brennstoffzelle 10 enthaltenen Elektrolytmembran nicht überschreitet. Daher kann einer Beschädigung der Elektrolytmembran, die auftreten könnte, wenn die Brennstoffzelle 10 wiederholt gestartet wird, gegengesteuert werden. Obwohl ein Druckunterschied zwischen dem Anodengasdruck und dem Kathodengasdruck bei A in 2 100 kPa beträgt, bei B in 2 50 kPa beträgt und bei C in 2 150 kPa beträgt, ist ein Druckunterschied nicht auf diese Werte beschränkt und kann einen anderen Wert aufweisen, solange der Druckunterschied nicht den Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran übersteigt. Der Ausdruck „Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran” bezeichnet einen Schwellenwert für einen Druckunterschied, der eine Elektrolytmembran nicht beschädigt, in Bezug auf einen Druckunterschied zwischen einem Anodengasdruck und einem Kathodengasdruck. Der Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung kann auf geeignete Weise z. B. gemäß der Dicke und der Festigkeit der Elektrolytmembran eingestellt werden. Um sicherzustellen, dass der Druckunterschied zwischen dem Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, und dem Druck des Kathodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, den Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran nicht übersteigt, kann die Rate, mit der der Druck des Anodengases erhöht wird, erhöht oder gesenkt werden, oder die Rate, mit der der Druck des Kathodengases erhöht wird, kann erhöht oder gesenkt werden. Daher reicht es aus, wenn die ECU 30 den Injektor 24 und/oder das Druckregulierungsventil 28 steuert.
Da gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, höher ist als der Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann Luft innerhalb der Anodenelektrode schnell abgeführt werden, und einer ungleichmäßigen Luftverteilung kann somit gegengesteuert werden. Da eine Erhöhung des Kathodengasdrucks gemäß dem Beginn der Erhöhung des Anodengasdrucks beginnt, ist es außerdem möglich, das Auftreten eines großen Unterschieds zwischen dem Anodengasdruck und dem Kathodengasdruck zu verhindern, und eine Beschädigung der Elektrolytmembran, die durch einen großen Druckunterschied bedingt ist, kann verhindert werden. Insbesondere kann dadurch, dass ein Unterschied zwischen dem Druck des Anodengases, das zur Anodenelektrode geliefert wird, und dem Druck des Kathodengases, das zur Kathodenelektrode geliefert wird, beim Starten der Brennstoffzelle so gesteuert wird, dass der Druckunterschied den Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran nicht übersteigt, das Auftreten einer durch ein wiederholtes Starten der Brennstoffzelle bewirkten Beschädigung der Elektrolytmembran unterdrückt werden.
Nun wird ein Brennstoffzellensystem gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
3 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 2 eine Brennstoffzelle 10, einen Wasserstoffgas-Zylinder 12, einen Luftkompressor 14, einen Anodengas-Zufuhrkanal 16, einen Anodengas-Umwälzweg 18, einen Kathodengas-Zufuhrkanal 20, einen Kathodengas-Abfuhrweg 22, einen Injektor 24, einen Wasserstoffkompressor 26, ein Druckregulierungsventil 28, eine ECU (elektronische Steuereinheit) 30, einen Zeitnehmer 32 und einen Temperatursensor 34 auf. Komponenten des Brennstoffzellensystems 2, die in 3 dargestellt sind und die denen des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 gleich sind, werden mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Der Zeitnehmer 32 misst einen Unterbrechungszeitraum der Brennstoffzelle 10 und kann eine Gasmenge innerhalb der Anodenelektrode auf Basis des gemessenen Zeitraums schätzen. Der Zeitnehmer 32 ist in der ECU 30 vorgesehen. Der Ausdruck „Unterbrechungszeitraum der Brennstoffzelle 10” bezeichnet einen Zeitraum, in dem der „Start”-Schalter des Brennstoffzellensystems 2 auf AUS steht. Genauer misst der Zeitnehmer 32 einen Zeitraum ab Eingabe eines Signals, das anzeigt, dass der „Start”-Schalter des Brennstoffzellensystems auf AUS gestellt wurde, in die ECU 30 bis zur Eingabe eines Signals, das anzeigt, dass der „Start”-Schalter des Brennstoffzellensystems auf EIN gestellt wurde. Die Luftmenge, die von der Kathodenelektrode zur Anodenelektrode wandert, wenn die Brennstoffzelle 10 angehalten ist, steigt zusammen mit einer Verlängerung des Unterbrechungszeitraums der Brennstoffzelle 10. Falls beispielsweise ein vom Zeitnehmer 32 gemessener Zeitraum mindestens so lang ist wie ein vorgegebener Wert, wird somit geschätzt, dass die Luftmenge innerhalb der Anodenelektrode „groß” ist, und falls der vom Zeitnehmer 32 gemessene Zeitraum unter einem vorgegebenen Wert liegt, wird geschätzt, dass die Luftmenge innerhalb der Anodenelektrode „klein” ist. Außerdem kann beispielsweise auch ein Aufbau genommen werden, der eine Luftmenge innerhalb einer Anodenelektrode durch Anlegen eines vom Zeitnehmer 32 gemessenen Unterbrechungszeitraums der Brennstoffzelle 10 auf ein Kennfeld, das die zuvor anhand von Versuchen festgestellte Beziehung zwischen Luftmengen innerhalb der Anodenelektrode und dem Ablauf der Zeit darstellt. Hierbei muss die geschätzte Gasmenge nicht immer die Luftmenge sein, und da die Anodengasmenge abnimmt, wenn die Luftmenge im Lauf der Zeit zunimmt, kann auch die Anodengasmenge als zu schätzende Gasmenge verwendet werden. Ein Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Anodengasmenge, das im Lauf der Zeit zu- und abnimmt, kann ebenfalls als zu schätzende Gasmenge verwendet werden.
Der Temperatursensor 34 erfasst die Temperatur der Brennstoffzelle 10 und kann eine Gasmenge in der Anodenelektrode auf Basis der Temperatur der Brennstoffzelle 10 schätzen. Der Temperatursensor 34 ist in der Brennstoffzelle 10 vorgesehen. Die Temperatur der Brennstoffzelle 10 kann die Oberflächentemperatur der Brennstoffzelle 10, die Innentemperatur der Brennstoffzelle 10 oder die Temperatur eines Kühlmittels innerhalb der Brennstoffzelle 10 oder ähnliches sein. Da die Temperatur der Brennstoffzelle 10 abnimmt, wenn der Unterbrechungszeitraum der Brennstoffzelle 10 länger wird, wird, falls die vom Temperatursensor 34 erfasste Temperatur der Brennstoffzelle 10 beispielsweise unter einem vorgegebenen Wert liegt, geschätzt, dass die Luftmenge in der Anodenelektrode, die mit zunehmender Unterbrechungszeit zunimmt, „groß” ist, und falls die Temperatur der Brennstoffzelle 10 bei oder über einem vorgegebenen Wert liegt, wird geschätzt, dass die Luftmenge in der Anodenelektrode „klein” ist. Ferner kann beispielsweise auch ein Aufbau genommen werden, der eine Luftmenge innerhalb einer Anodenelektrode durch Anlegen einer vom Temperatursensor 34 gemessenen Temperatur der Brennstoffzelle 10 an ein Kennfeld, das die vorab durch Versuche ermittelte Beziehung zwischen Luftmengen der Anodenelektrode und Temperaturen der Brennstoffzelle 10 darstellt, schätzt. Ähnlich wie im zuvor geschilderten Fall muss die geschätzte Gasmenge nicht immer die Luftmenge sein, und da die Anodengasmenge abnimmt, wenn die Luftmenge im Lauf der Zeit zunimmt, kann die Anodengasmenge als zu schätzende Gasmenge verwendet werden. Ein Verhältnis zwischen der Luftmenge und der Anodengasmenge, das im Lauf der Zeit zu- und abnimmt, kann ebenfalls als zu schätzende Gasmenge verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Schätzung einer Gasmenge der Anodenelektrode nicht auf eine Schätzung durch den genannten Zeitnehmer 32 oder Temperatursensor 34 beschränkt. Beispielsweise kann ein Sauerstoffssensor auf der Anodenelektrodenseite der Brennstoffzelle 10 vorgesehen sein, und eine Gasmenge (Luftmenge) in der Anodenelektrode kann vom Sauerstoffsensor geschätzt werden.
Die ECU 30 stellt den Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, gemäß der geschätzten Gasmenge in der Anodenelektrode ein. Das heißt, die ECU 30 stellt den Druckanpassungswert des Injektors 24 ein wie oben beschrieben. Genauer stellt die ECU 30 beispielsweise den Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, auf einen kleinen Wert ein, beispielsweise auf den Druck des Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, wenn die Luftmenge als die Gasmenge in der Anodenelektrode „klein” geschätzt wird, da die Luftmenge, die von der Anodenelektrode abgegeben werden soll, ebenfalls klein ist. Ferner stellt die ECU 30 beispielsweise den Druck des Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf einen hohen Druck ein, beispielsweise auf einen Druck, der höher ist als der Druck des Anodengases, das während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zugeführt wird (beispielsweise 300 kPa), wenn eine Luftmenge als die Gasmenge in der Anodenelektrode „groß” geschätzt wird, da die Luftmenge, die von der Anodenelektrode abgegeben werden soll, ebenfalls groß ist. Wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird, wie oben beschrieben, steuert die ECU 30 den Injektor 234 und das Druckregulierungsventil 28 so, dass eine Erhöhung des Kathodengasdrucks gemäß dem Beginn der Erhöhung des Anodengasdrucks beginnt. Dadurch ist es möglich, den Druck des Anodengases auf angemessene Weise auf einen Druck einzustellen, der notwendig ist, um eine ungleichmäßige Luftverteilung innerhalb der Anodenelektrode zu hemmen und eine Beschädigung der Elektrolytmembran zu unterdrücken, und auch um eine Verschwendung von Anodengas zu eliminieren. Im Hinblick auf die Unterdrückung einer Beschädigung der Elektrolytmembran als Folge eines wiederholten Startens der Brennstoffzelle 10 steuert die ECU 30 außerdem vorzugsweise den Injektor 24 und/oder das Druckregulierungsventil 28 so, dass der Druckunterschied zwischen dem Druck des Anodengases und dem Druck des Kathodengases einen Schwellenwert für die Vermeidung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran, wie oben beschrieben, nicht übersteigt.
Obwohl gemäß der vorliegenden Ausführungsform sowohl ein Temperatursensor als auch ein Zeitnehmer vorgesehen sind, reicht es aus, entweder den Temperatursensor oder den Zeitnehmer vorzusehen.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Ein Brennstoffzellensystem gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen kann beispielsweise als Leistungsquelle mit kleinen Abmessungen für eine mobile Einrichtung, wie einen tragbaren Computer, als Leistungsquelle für ein Fahrzeug oder als stationäre Leistungsquelle verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
Ein Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das den Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das den Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst, auf. Das System weist ferner ein Drucksteuerungsmittel auf, welches den Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases auf einen Druck einstellt, der höher ist als der Druck eines Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-139984 [0007]
- JP 2002-373682 [0007]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zur Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst; wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein Drucksteuerungsmittel, welches einen Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases auf einen Druck einstellt, der höher ist als ein Druck eines Anodengases, das während einer Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle zugeführt wird, und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, ein Anodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zu einer Anodenelektrode der Brennstoffzelle gelieferten Anodengases anpasst, und ein Kathodengasdruck-Anpassungsmittel, das einen Druck eines zu einer Kathodenelektorde der Brennstoffzelle gelieferten Kathodengases anpasst; wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: ein Schätzmittel, das eine Gasmenge innerhalb der Anodenelektrode schätzt; und ein Drucksteuerungsmittel, welches einen Druck eines beim Starten der Brennstoffzelle zugeführten Anodengases gemäß einer Gasmenge, die vom Schätzmittel geschätzt wird, einstellt und welches das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass die Erhöhung eines Kathodengasdrucks gemäß einem Beginn der Erhöhung eines Anodengasdrucks beginnt, wenn der Druck des Anodengases auf den eingestellten Druck erhöht wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran sowie eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, zwischen denen die Elektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; und das Drucksteuerungsmittel das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und/oder das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass ein Druckunterschied zwischen einem Druck eines Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einem Druck eines Kathodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, einen voreingestellten Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran nicht überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei: die Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran sowie eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, zwischen denen die Elektrolytmembran angeordnet ist, aufweist; und das Drucksteuerungsmittel das Anodengasdruck-Anpassungsmittel und/oder das Kathodengasdruck-Anpassungsmittel so steuert, dass ein Druckunterschied zwischen einem Druck eines Anodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einem Druck eines Kathodengases, das beim Starten der Brennstoffzelle zugeführt wird, einen Schwellenwert für die Verhinderung einer Druckbeschädigung der Elektrolytmembran nicht überschreitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Schätzmittel eine Gasmenge in der Anodenelektrode auf Basis eines Unterbrechungszeitraums der Brennstoffzelle oder einer Temperatur der Brennstoffzelle schätzt.