DE112008004017T5

DE112008004017T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008004017T5
Application number: DE112008004017T
Authority: DE
Inventors: Hideo Aichi Nagaosa; Shinichi Aichi Matsumoto; Haruyuki Aichi Nakanishi; Hidekazu Aichi Arikawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2011-07-21
Also published as: JP5218561B2; JPWO2010032332A1; US20110236782A1; WO2010032332A1; CN102160223A

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle, die mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt; eine Brennstoffversorgungseinheit, die den Brennstoff der Brennstoffzelle zuführt; eine Oxidationsmittelversorgungseinheit, die das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle zuführt; eine Temperaturmesseinheit, die die Temperatur der Brennstoffzelle misst; und eine erste Steuereinheit, die den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit zu der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle steuert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
STAND DER TECHNIK
In den vergangenen Jahren haben Brennstoffzellen als Stromquellen oder -versorgungen Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie in ihrer Betriebseffizienz und Umweltverträglichkeit exzellent sind. Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel. Es gibt eine Brennstoffzelle, die eine Ionenaustauschmembran verwendet, welche erlaubt, dass positive Ionen oder negative Ionen diese durchdringen. Zum Beispiel ist eine Brennstoffzelle bekannt, welche eine Anionenaustauschmembran (Elektrolytmembran) verwendet, die erlaubt, dass negative Ionen (Anionen) diese durchdringen.
Erstes Patentdokument

Veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP 2006-244961 A .

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Einer Kathodenseite einer Brennstoffzelle, die eine Anionenaustauschmembran verwendet, wird ein Oxidationsmittel zugeführt und einer Anodenseite der Brennstoffzelle wird ein Brennstoff mit Verbindungen, die zum Erzeugen von Wasser mit negativen Ionen reagieren können, zugeführt. Dabei reagiert der Brennstoff an der Anodenseite mit negativen Ionen, die von der Kathodenseite durch die Anionenaustauschmembran zur Anodenseite durchdringt und dabei Wasser erzeugt wird.
Als Brennstoff, der der Anodenseite zugeführt wird, kann Ammoniakgas oder Ammoniakwasser verwendet werden. Bei der Verwendung eines Ammoniakgases wird eine Grenzfläche (Drei-Phasen-Grenzfläche) des Ammoniakgases, eine Katalysatorschicht und eine Anionenaustauschmembran benötigt. Um das Ammoniakgas an der Drei-Phasen-Grenzfläche auf wirksame Weise reagieren zu lassen, wird die Katalysatorschicht mit einer als Ionomer bezeichneten Verbindung derselben Art wie die Anionenaustauschmembran beschichtet.
Wenn Ammoniakgas als Brennstoff verwendet wird, nehmen die Materialkosten wegen der Ionomerbeschichtung zu und gleichzeitig kommt der Verfahrensschritt des Beschichtens der Katalysatorschicht mit dem Ionomer hinzu, was zu höheren Gesamtkosten führt. Wenn als Brennstoff Ammoniakwasser verwendet wird, ist eine Menge Wasser in dem Ammoniakwasser gemischt, so dass eine Konzentrationsüberspannung an der Anode zunimmt. Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme gemacht und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik bereitzustellen, welche zur Reduzierung der Konzentrationsüberspannung an der Anode dient und dadurch die Energieerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle verbessert, ohne dabei die Kosten zu erhöhen.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinheit bereitgestellt, welche den Druck eines Brennstoffs, der von einer Brennstoffversorgungseinheit, welche Brennstoff einer Brennstoffzelle zuführt, der Brennstoffzelle zuzuführen ist, gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle steuert.
Genauer gesagt ist das Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt, einer Brennstoffversorgungseinheit, welche der Brennstoffzelle Brennstoff zuführt, einer Oxidationsmittelversorgungseinheit, welche der Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel zuführt, einer Temperaturmesseinheit, welche die Temperatur der Brennstoffzelle misst, und einer ersten Steuereinheit, welche den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle steuert, versehen.
In dem oben genannten Brennstoffzellensystem wird der Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt, der verflüssigtes Ammoniak enthält. Die Temperatur des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs hängt von der Temperatur der Brennstoffzelle ab. D. h., wenn die Temperatur der Brennstoffzelle höher als die Temperatur des Brennstoffs ist, bevor dieser der Brennstoffzelle zugeführt wird, steigt die Temperatur des Brennstoffs, wenn der Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf die Temperatur der Brennstoffzelle oder eine Temperatur nahe dieser. Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger als die Temperatur des Brennstoffs ist, bevor dieser der Brennstoffzelle zugeführt wird, sinkt die Temperatur des Brennstoffs, wenn der Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt, auf die Temperatur der Brennstoffzelle oder eine Temperatur nahe dieser.
Ammoniak ist unter Normbedingungen (Normtemperatur und -druck) ein Gas, aber verflüssigt sich unter Druck. Der Verflüssigungsdruck von Ammoniak hängt von der Temperatur des Ammoniaks ab. D. h., wenn die Temperatur des Ammoniaks ansteigt, nimmt der Verflüssigungsdruck von Ammoniak zu, und wenn die Temperatur von Ammoniak fällt, fällt auch der Verflüssigungsdruck von Ammoniak. Wenn der Druck des der Brennstoffzelle zugeführten verflüssigten Ammoniaks niedriger als der Verflüssigungsdruck von Ammoniak ist, ändert sich das verflüssigte Ammoniak vom flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand. Deshalb nimmt die Konzentrationsüberspannung der Anode in der Brennstoffzelle zu und somit nimmt die Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle ab.
In dem oben genannten Brennstoffzellensystem wird der Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffs auf eine solche Weise gesteuert, dass das flüssige Ammoniak, das in dem Brennstoff enthalten ist, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, seinen flüssigen Zustand beibehält. D. h., es wird die Temperatur der Brennstoffzelle gemessen und der Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffs gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle gesteuert. Deshalb ist es möglich, dass der flüssige Ammoniak, der in dem der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff enthalten ist, in der Brennstoffzelle seinen flüssigen Zustand behält. Infolge dessen wird die Konzentrationsüberspannung der Anode in der Brennstoffzelle reduziert und gleichzeitig kann die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verbessert werden.
Darüber hinaus kann das oben erwähnte Brennstoffzellensystem ferner mit einer zweiten Steuereinheit versehen sein, welche den Druck des Oxidationsmittels, das von der Oxidationsmittelversorgungseinheit der Brennstoffzelle zugeführt wird, steuert. Somit kann die zweite Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise steuern, dass sich der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs einander angleichen. Infolge dessen kann eine Beschädigung einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen dem Brennstoffdruck und dem Oxidationsmitteldruck in der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
Ferner kann in dem oben genannten Brennstoffzellensystem die erste Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gemäß einer Temperaturänderung der Brennstoffzelle steuern. Die Temperatur des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs hängt von der Temperatur der Brennstoffzelle ab. Indem der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gemäß einer Temperaturänderung der Brennstoffzelle gesteuert wird, kann somit das in dem der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff enthaltene flüssige Ammoniak in der Brennstoffzelle seinen flüssigen Zustand beibehalten.
Ferner kann in dem oben genannten Brennstoffzellensystem die zweite Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise steuern, dass, wenn sich der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs ändert, der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der geänderte Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs einander angeglichen wird. Indem gemäß dem oben genannten Brennstoffzellensystem der Druck des von der Oxidationsmittelversorgungseinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels gesteuert wird, können der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der geänderte Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs einander gleich gemacht werden. Infolge dessen kann eine Beschädigung der Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen dem Brennstoffdruck und dem Oxidationsmitteldruck in der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
Ferner ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt, einer Brennstoffversorgungseinheit, die der Brennstoffzelle Brennstoff zuführt, und einer Oxidationsmittelversorgungseinheit, die der Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel zuführt, versehen. Indem der Brennstoffzelle das in dem Brennstoff enthaltene verflüssigte Ammoniak zugeführt wird, wird die Konzentrationsüberspannung einer Anode in der Brennstoffzelle reduziert und gleichzeitig kann die Energieerzeugungsleistung der Brennstoffzelle verbessert werden.
Das oben genannten Brennstoffzellensystem kann ferner mit einer ersten Regulierungseinheit, die den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs reguliert, und einer zweiten Regulierungseinheit, welche den Druck des von der Oxidationsmittelversorgungseinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels reguliert, versehen sein. Ferner kann in dem oben erwähnten Brennstoffzellensystem die zweite Regulierungseinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise regulieren, dass sich der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs einander angleichen. Indem gemäß dem oben erwähnten Brennstoffzellensystem der Druck des von der Oxidationsmittelversorgungseinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels reguliert wird, kann der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs einander angeglichen werden. Infolge dessen kann eine Beschädigung einer Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen dem Brennstoffdruck und dem Oxidationsmitteldruck in der Brennstoffzelle unterdrückt werden.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Es kann die Konzentrationsüberspannung einer Anode reduziert werden und somit die Energieerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle verbessert werden, ohne dabei deren Kosten zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels.
2 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems zeigt.
3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Verflüssigungsdruck von Ammoniak und der Temperatur von Ammoniak zeigt.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das den Prozessablauf des Brennstoffzellensystems zeigt.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel (FC-Stapel)
2: Brennstoffzelle
3: anodeninterne Leitung
4: Anodenkatalysatorelektrodenschicht
5: Anionenaustauschmembran
6: Kathodenkatalysatorelektrodenschicht
7: kathodeninterne Leitung
8: Verbraucher
10: Luftpumpe
11: Kathodendrucksensor
12: Kathodendrosselventil
13: Brennstofftank
14: Druckregelventil
15: Rückschlagventil
16: Anodendrucksensor
17: Temperatursensor
18: Brennstoffzirkulationspumpe
19: elektronische Steuereinheit (ECU)
20: Kathodenleitung
21: Kathodenauslassleitung
22: Anodenleitung
23: Anodenzirkulationsleitung

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird auf ein Brennstoffzellensystem gemäß der besten Art (nachfolgend als Ausführungsform bezeichnet) zum Ausführen der folgenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eingegangen. Der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform ist lediglich ein Beispiel und die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen solchen Aufbau der Ausführungsform begrenzt.
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels (FC-Stapel), mit welchem das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform versehen ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 hat eine geschichtete oder gestapelte Struktur, in der eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 geschichtet oder gestapelt sind, und (nicht gezeigte) Abscheider sind auf gegenüberliegenden Seiten jeder Brennstoffzelle 2 angeordnet. Jede Brennstoffzelle 2 hat eine anodeninterne Leitung 3, eine Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4, eine Anionenaustauschmembran 5, eine Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 und eine kathodeninterne Leitung 7. Darüber hinaus kann jede Brennstoffzelle 2 eine Struktur mit einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) haben, in welcher die Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6, die Anionenaustauschmembran 5 und die Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 miteinander integriert oder kombiniert sind. Die Anionenaustauschmembran 5 ist eine Elektrolytmembran, die erlaubt, dass negative Ionen oder Anionen diese durchdringen. Die Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 und die Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Anionenaustauschmembran 5 angeordnet.
Die anodeninterne Leitung 3 ist mit der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 verbunden. Der Brennstoff, der von einer Einlassöffnung der anodeninternen Leitung 3 einströmt, wird der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 zugeführt und der nicht reagierte Brennstoff wird von der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 abgeführt. Die kathodeninterne Leitung 7 ist mit der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 verbunden. Die Luft, die von einer Einlassöffnung der kathodeninternen Leitung 7 einströmt, wird der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 zugeführt und die nicht reagierte Luft wird von der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 abgeführt.
In dem Stromerzeugungsprozess des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform wird verflüssigtes Ammoniak (NH₃), das in dem Brennstoff enthalten ist, der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 zugeführt. Ferner wird in dem Stromerzeugungsprozess des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform Luft (Oxidationsmittel), die Sauerstoff (O₂) enthält, der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 zugeführt. Wenn das verflüssigte Ammoniak der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 zugeführt wird und Luft der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 zugeführt wird, treten elektrochemische Reaktionen in dem Brennstoffzellenstapel 1 auf, so dass dadurch elektrische Energie erzeugt wird.
Wenn das verflüssigte Ammoniak der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 zugeführt wird, reagiert das verflüssigte Ammoniak mit den Hydroxidionen (OH^–), welche die Anionenaustauschmembran 5 passiert haben, so dass hierbei Wasser (H₂O) und Stickstoff (N₂) erzeugt werden und gleichzeitig Elektronen (e^–) emittiert werden.
Die elektrochemische Reaktion in der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 wird durch die folgende Gleichung (1) angegeben. 2NH₃ + 6OH^– → N₂ + 6H₂O + 6e (1)
Dabei ist zu beachten, dass das meiste Wasser, das durch die elektrochemische Reaktion der obigen Gleichung (1) erzeugt wird, die Anionenaustauschmembran 5 passiert, jedoch ein Teil davon im Brennstoff verbleibt.
Wenn der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 Luft zugeführt wird, reagieren der Sauerstoff in der Luft, das Wasser, das die Anionenaustauschmembran 5 passiert hat, und die von der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 emittierten Elektronen miteinander, so dass dadurch Hydroxidionen erzeugt werden. Es ist dabei zu beachten, dass, wenn notwendig, Wasser der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 zugeführt werden kann.
Die elektrochemische Reaktion in der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 wird durch die folgende Gleichung (2) angegeben. 3H₂O + 3/2O₂ + 6e^– → 6OH^– (2)
In dem Brennstoffzellenstapel 1 wird durch die Bewegung der von der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 emittierten Elektroden zu der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 über einen Verbraucher, wie z. B. einen externen Stromkreis etc., Strom erzeugt.
Die elektrochemischen Reaktionen in der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 und der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 werden durch die folgende Gleichung (3) angegeben. 2NH₃ + 3/2O₂ → N₂ + 3H₂O (3)
Die Anionenaustauschmembran 5 muss lediglich ein Medium sein, das die durch die Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 erzeugten Hydroxidionen zur Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 bewegen lassen kann. Die Anionenaustauschmembran 5 ist z. B. eine Feststoffpolymermembran (Anionenaustauschharz), das eine Anionenaustauschgruppe, wie z. B. eine primäre bis tertiäre Aminogruppe, eine quaternäre Ammoniumgruppe, eine Pyridylgruppe, eine Imidazolgruppe, eine quaternäre Pyridingruppe, eine quaternäre Imidazolgruppe etc., hat. Ferner ist die Feststoffpolymermembran z. B. ein Harz auf Kohlenwasserstoffbasis, ein Harz auf Fluorbasis, etc.
2 ist eine Ansicht, welche den Aufbau des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Wie in der 2 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform mit dem Brennstoffzellenstapel 1, einer Luftpumpe 10, einem Kathodendrucksensor 11, einem Kathodendrosselventil 12, einem Brennstofftank 13, einem Anodendruckregelventil 14, einem Rückschlagventil 15, einem Anodendrucksensor 16, einem Temperatursensor 17, einer Brennstoffzirkulationspumpe 18 und einer elektronischen Steuereinheit (ECU) 19 versehen.
Eine Kathodenleitung 20 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 1 mit Luft ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Die Luftpumpe 10 (welche einer Oxidationsmittelversorgungseinheit entspricht) zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 1 mit Luft über die Kathodenleitung 20 ist mit der Kathodenleitung 20 verbunden. Der Kathodendrucksensor 11 zum Messen des Drucks der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, ist mit der Kathodenleitung 20 verbunden.
Die Luftpumpe 10 und der Kathodendrucksensor 11 sind elektrisch mit der elektronischen Steuereinheit 19 verbunden. Die Luftpumpe 10 wird in Erwiderung auf ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19 angetrieben. Ferner kann eine andere Steuervorrichtung, welche sich von der elektronischen Steuereinheit 19 unterscheidet, den Antrieb der Luftpumpe 10 steuern. Durch Antreiben der Luftpumpe 10 wird die Luft, welche von der Umgebungsatmosphäre angesaugt wird, dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt.
Der Kathodendrucksensor 11 misst den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Luft in Erwiderung auf ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19. Der Kathodendrucksensor 11 kann den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Luft auf kontinuierliche Weise oder zu vorbestimmten Intervallen messen. Die Daten des durch den Kathodendrucksensor 11 gemessenen Luftdrucks werden von dem Kathodendrucksensor 11 zu der elektronischen Steuereinheit 19 gesendet. Die elektronische Steuereinheit 19 besteht aus einer CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), einem RAM (Arbeitsspeicher), einem ROM (Lesespeicher), einer Eingabe-/Ausgabeschnittstelle und dergleichen. Die an die elektronische Steuereinheit 19 gesendeten Luftdruckdaten werden in dem RAM gespeichert, der in die elektronische Steuereinheit integriert ist.
Eine Kathodenauslassleitung 21 zum Auslassen der von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführten Luft in die externe Atmosphäre ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Das Kathodendrosselventil 12 zum Regulieren des Drucks der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, ist an der Kathodenauslassleitung 21 angeordnet. Da der Gegendruck der von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführten Luft durch das Kathodendrosselventil 12 gesteuert wird, wird der Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, eingestellt. Das Kathodendrosselventil 12 ist elektrisch mit der elektronischen Steuereinheit 19 verbunden. Der Druck der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, wird durch den Öffnungsgrad des Kathodendrosselventils 12 gesteuert. D. h., der Druckwert der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, wird auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, indem der Öffnungsgrad des Kathodendrosselventils 12 gesteuert wird. Die Steuerung des Öffnungsgrads des Kathodendrosselventils 12 wird durch ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19 durchgeführt. Das Kathodendrosselventil 12 und die elektronische Steuereinheit 19 entsprechen einer zweiten Steuereinheit. Dabei ist zu beachten, dass ein Kathodendruckregelventil an der Kathodenleitung 20 angeordnet werden kann, anstatt das Kathodendrosselventil 12 an der Kathodenauslassleitung 21 anzuordnen.
Somit kann der Druck der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft mittels des Kathodendruckregelventils gesteuert werden.
Eine Anodenleitung 22 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 1 mit Brennstoff ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Der Brennstofftank 13 zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels 1 über die Anodenleitung 22 mit Brennstoff ist mit der Anodenleitung 22 verbunden. Der dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Brennstoff ist in dem Brennstofftank 13 gespeichert. Ein Druckventil zum Auslassen oder Liefern von dem in dem Brennstofftank 13 gespeicherten Brennstoff zu der Anodenleitung 22 ist am Brennstofftank 13 montiert. Durch Öffnen des Druckventils wird der in dem Brennstofftank 13 gespeicherte Brennstoff zur Anodenleitung 22 ausgelassen. Das Druckventil ist elektrisch mit der elektronischen Steuereinheit 19 verbunden. Das Öffnen und Schließen des Druckventils wird durch ein Steuersignal, das von der elektronischen Steuereinheit 19 gesendet wird, durchgeführt.
Das Anodendruckregelventil 14 zum Regeln des Drucks des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs ist an der Anodenleitung 22 angeordnet. Das Anodendruckregelventil 14 ist mit elektronischen Steuereinheit 19 elektrisch verbunden. Der Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs wird durch den Öffnungsgrad des Anodendruckregelventils 14 gesteuert. D. h., dass der Druckwert des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Drucks auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird, indem der Öffnungsgrad des Anodendruckregelventils 14 gesteuert wird. Die Steuerung des Öffnungsgrads des Anodendruckregelventils 14 wird durch ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19 durchgeführt. Das Anodendruckregelventil 14 und die elektronische Steuereinheit 19 entsprechen einer ersten Steuereinheit. Hierbei ist zu beachten, dass ein Anodendrosselventil an einer Anodenzirkulationsleitung 23 angeordnet sein kann, anstatt das Anodendruckregelventil 14 an der Anodenleitung 22 vorzusehen. Somit kann der Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs reguliert werden, indem der Gegendruck des von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebenen Brennstoffs gesteuert wird.
Das Rückschlagventil 15 zum Kontrollieren und Verhindern eines Rück- oder Gegenstroms des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs ist an der Anodenleitung 22 angeordnet. Der Anodendrucksensor 16 zum Messen des Drucks des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs ist mit der Anodenleitung 22 verbunden. Der Anodendrucksensor 16 ist mit elektronischen Steuereinheit 13 elektrisch verbunden. Der Anodendrucksensor 16 misst den Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Brennstoffs in Erwiderung auf ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19. Der Anodendrucksensor 16 kann den Druck des dem Brennstoffstapel 1 zugeführten Brennstoffs auf kontinuierliche Weise oder zu vorbestimmten Intervallen messen. Die Daten des durch den Anodendrucksensor 16 gemessenen Brennstoffdrucks werden von dem Anodendrucksensor 16 an die elektronische Steuereinheit 19 gesendet. Die an die elektronische Steuereinheit 19 gesendeten Brennstoffdruckdaten werden in dem RAM aufgezeichnet, das in die elektronische Steuereinheit 19 integriert ist.
Der Temperatursensor 17 (entspricht einer Temperaturmesseinheit) zum Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Der Temperatursensor 17 ist mit der elektronischen Steuereinheit 19 elektrisch verbunden. Der Temperatursensor 17 misst die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 in Erwiderung auf ein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19. Der Temperatursensor 17 kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 auf kontinuierliche Weise oder zu vorbestimmten Intervallen messen. Die durch den Temperatursensor 17 gemessenen Temperaturdaten des Brennstoffzellenstapels 1 werden von dem Temperatursensor 17 an die elektronische Steuereinheit 19 gesendet. Die an die elektronische Steuereinheit 19 gesendeten Temperaturdaten des Brennstoffzellenstapels 1 werden in dem RAM aufgezeichnet, das in die elektronische Steuereinheit 19 integriert ist.
Die Anodenzirkulationsleitung 23, welche den von dem Brennstoffzellenstapel 1 ausgelassenen Brennstoff durch die Anodenleitung 22 zirkulieren lässt, ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden. Die Brennstoffzirkulationspumpe 18 ist an der Anodenzirkulationsleitung 23 angeordnet. Durch Antreiben der Brennstoffzirkulationspumpe 18 strömt der von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebene Brennstoff über die Anodenzirkulationsleitung 23 in die Anodenleitung 22.
Ein Abscheider zum Abscheiden des Wassers von dem von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebenen Brennstoffs kann an der Anodenzirkulationsleitung 23 vorgesehen sein. Das von dem Abscheider abgeschiedene Wasser kann der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 zugeführt werden. Ferner kann das von dem Abscheider abgeschiedene Wasser an die externe Atmosphäre abgegeben werden. Ferner kann ein Gasflüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von Stickstoff aus dem von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebenen Brennstoff an der Anodenzirkulationsleitung 23 vorgesehen sein. Der von dem Gasflüssigkeitsabscheider abgeschiedene Stickstoff kann an die externe Atmosphäre abgegeben werden.
Der Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, ist in dem Brennstofftank 13 gespeichert. Die Verflüssigung von Ammoniak wird durch Temperatur und Druck bestimmt. D. h., der minimale Druck, bei dem Ammoniak in einem flüssigen Zustand gehalten werden kann, ändert sich entsprechend seiner Temperatur. 3 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Verflüssigungsdruck (MPa) von Ammoniak und seiner Temperatur (Grad C), wenn Ammoniak unter Druck gesetzt wird. Die Ordinate in der 3 stellt den Verflüssigungsdruck (MPa) von Ammoniak dar und die Abszisse in der 3 stellt die Temperatur (Grad C) von Ammoniak dar. Eine in der 3 gezeigte Kurve A zeigt den Verflüssigungsdruck von Ammoniak gegenüber der Temperatur von Ammoniak.
Wie in der 3 gezeigt ist, nimmt mit steigender Temperatur von Ammoniak auch dessen Verflüssigungsdruck zu. Indem der auf das Ammoniak aufgebrachte Druck entsprechend einem Temperaturanstieg des Ammoniaks gleich oder größer als der Verflüssigungsdruck von Ammoniak gemacht wird, bleibt das Ammoniak in seinem flüssigen Zustand. Indem z. B. das Ammoniak gemäß dem Temperaturanstieg des Ammoniaks auf eine solche Weise unter Druck gesetzt wird, dass die Beziehung zwischen dem aufgebrachten Druck und der Temperatur von Ammoniak eine gerade Linie B wird, wie in der 3 gezeigt ist, bleibt das Ammoniak in seinem flüssigen Zustand. Die dem in der 3 gezeigten Diagramm entsprechenden Daten können in dem ROM gespeichert werden, das in die elektronische Steuereinheit 19 integriert ist.
Das verflüssigte Ammoniak wird in dem Brennstofftank 13 unter hohem Druck (z. B. 0,85 MPa bis 2,5 MPa) gespeichert. Der Druckwert des verflüssigten Ammoniaks in dem Brennstofftank 13 dient nur zur Veranschaulichung und kann ein anderer Wert sein. Der Druck des verflüssigten Ammoniaks, das von dem Brennstofftank 13 zu der Anodenleitung 22 ausgegeben wird, wird mittels des Anodendruckregelventils 14 in seinem Druck reduziert und das verflüssigte Ammoniak wird nach der Druckminderung dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt. In dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform wird das verflüssigte Ammoniak dem Brennstoffzellenstapel 1 bei einem Druck gleich oder größer als der Verflüssigungsdruck von Ammoniak zugeführt. Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Druck des zuzuführenden Ammoniaks unter Bezugnahme auf die von dem Anodendrucksensor 16 gemessenen Brennstoffdruckdaten einstellen.
Als nächstes wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. 4 ist ein Ablaufdiagramm, das den Prozessablauf des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform zeigt. Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform führt den Prozess der 4 aus, wenn ein Prozess zur Aufnahme eines Startbetriebs am Brennstoffzellensystem ausgeführt wird. Wenn z. B. ein Zündschalter eingeschaltet wird, kann die elektronische Steuereinheit 19 eine Bestimmung durchführen, dass ein Befehl zum Aufnehmen eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems gegeben worden ist, so dass der Prozess der 4 ausgeführt wird.
Der Temperatursensor 17 beginnt mit der Messung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 (S01). Der Messbeginn der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 mittels des Temperatursensors 17 wird durch ein Startsignal von der elektronischen Steuereinheit 19 ausgeführt. Die elektronische Steuereinheit 19 ermittelt von dem Temperatursensor 17 die durch den Temperatursensor 17 gemessenen Temperaturdaten des Brennstoffzellenstapels 1.
Die elektronische Steuereinheit 19 bestimmt den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gemäß der von dem Temperatursensor 17 ermittelten Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 (SO2). Der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks bedeutet der Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks. Die Temperatur des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten verflüssigten Ammoniaks hängt von der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 ab. D. h., wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 höher als die Temperatur des verflüssigten Ammoniaks ist, bevor dieses dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, steigt die Temperatur des verflüssigten Ammoniaks, wenn es dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, auf die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 oder eine Temperatur nahe dieser an. Wenn andererseits die Temperatur des Brennstoffzellenstapels niedriger als die Temperatur des verflüssigten Ammoniaks vor dessen Zufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 1 ist, fällt die Temperatur des verflüssigten Ammoniaks, wenn es dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, auf die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 oder eine Temperatur naher dieser ab. In dieser Ausführungsform wird der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks auf der Grundlage der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 bestimmt.
Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Zuführdruck des Ammoniaks unter Bezugnahme auf die Daten, die sich aus dem in der 3 gezeigten Diagramm ergeben, einstellen. Hier wird Bezug auf ein Beispiel genommen, bei dem die elektronische Steuereinheit 19 den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks auf der Grundlage einer in der 3 gezeigten geraden Linie B bestimmt. Wenn z. B. die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 40°C ist, bestimmt die elektronische Steuereinheit 19 den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks als 2 MPa. Da, wie in der 3 gezeigt, 2 MPa höher als der Verflüssigungsdruck von Ammoniak ist, kann der Ammoniak dem Brennstoffzellenstapel 1 in seinem flüssigen Zustand zugeführt werden. Ferner wird auf ein anderes Beispiel Bezug genommen, bei dem die elektronische Steuereinheit den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks bestimmt. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 T°C ist, berechnet die elektronische Steuereinheit 19 einen Verflüssigungsdruck P MPa für T°C unter Bezugnahme auf die Daten, die sich aus dem in der 3 gezeigten Diagramm ergeben. Somit kann die elektronische Steuereinheit 19 als den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks einen Wert bestimmen, der ermittelt wird, indem zu P MPa ein vorbestimmter Wert hinzuaddiert wird.
Zurückkommend zu der Erklärung der 4, beginnt die elektronische Steuereinheit 19 mit der Zufuhr des verflüssigten Ammoniaks zu dem Brennstoffzellenstapel 1, indem das Druckventil und das Anodendruckregelventil 14 des Brennstoffzellentanks 13 angesteuert werden (S03). Dabei öffnet die elektronische Steuereinheit 19 das Druckventil des Brennstofftanks 13. Dann steuert die elektronische Steuereinheit 19 das Anodendruckregelventil 14 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gleich einem Zuführdruck wird, der entsprechend der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 bestimmt wurde. Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks unter Bezugnahme auf die durch den Anodendrucksensor 16 gemessenen Druckdaten des Brennstoffs einstellen.
Die elektronische Steuereinheit 19 beginnt die Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 1, indem sie die Luftpumpe 10 und das Kathodendrosselventil 12 steuert (S04). Dabei beginnt die elektronische Steuereinheit 19 die Luftpumpe 10 anzutreiben. Anschließend steuert die elektronische Steuereinheit 19 das Kathodendrosselventil 12 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruck ein Druck gleich dem Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks wird. Anders gesagt steuert die elektronische Steuereinheit 19 das Kathodendrosselventil 12 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruckwert der Luft derselbe Wert oder ein naher Wert wie der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks wird. Der Luftzuführdruck bedeutet hier der Druck, der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden Luft. Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Zuführdruck der Luft unter Bezugnahme auf die durch den Kathodendrucksensor 11 gemessenen Luftdruckdaten einstellen.
Die elektronische Steuereinheit 19 ermittelt von dem Temperatursensor 17 die von dem Temperatursensor 17 gemessenen Temperaturdaten des Brennstoffzellenstapels 1 (S05). Die elektronische Steuereinheit 19 bestimmt, ob eine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 1 vorliegt (S06). Wenn keine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 1 vorliegt (d. h. NEIN im Prozessschritt S06), führt die elektronische Steuereinheit 19 den Prozessschritt S05 aus. Wenn andererseits eine Temperaturänderung des Brennstoffzellenstapels 1 vorliegt (d. h. JA im Prozessschritt S06), bestimmt die elektronische Steuereinheit 19 den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gemäß der geänderten Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 (S07).
Die elektronische Steuereinheit 19 steuert das Anodendruckregelventil 14 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gleich einem Zuführdruck wird, der gemäß der geänderten Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 bestimmt wurde (S08). Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks unter Bezugnahme auf die von dem Anodendrucksensor 16 gemessenen Brennstoffdruckdaten einstellen.
Die elektronische Steuereinheit 19 steuert das Kathodendrosselventil 12 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruck ein Druck gleich dem Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks wird (S09). Anders gesagt, steuert die elektronische Steuereinheit 19 das Kathodendrosselventil 12 auf eine solche Weise, dass der Zuführdruckwert der Luft derselbe Wert oder ein Näherungswert wie der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks wird. Die elektronische Steuereinheit 19 kann den Zuführdruck der Luft unter Bezugnahme auf die durch den Kathodendrucksensor 11 gemessenen Luftdruckdaten einstellen. Nach dem Prozessschritt S09 führt die elektronische Steuereinheit 19 den Prozessschritt S05 aus. Wenn ein Befehl zum Beenden des Betriebs des Brennstoffzellensystems vorliegt, endet der in der 4 gezeigte Prozess.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform wird verflüssigtes Ammoniak als der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführende Brennstoff verwendet. Wenn verflüssigtes Ammoniak als der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführende Brennstoff verwendet wird, ist es nicht notwendig, die Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 mit einem Ionomer zu beschichten. D. h., ein Teil des der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 zugeführten verflüssigten Ammoniaks und ein Teil des durch elektrochemische Reaktion der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 erzeugten Wassers existieren als Ammoniumionen (NH₄ ⁺) und Wasserstoffionen (H⁺) in der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4. Deshalb wird die Bewegung von Hydroxidionen, die die Anionenaustauschmembran 5 durchdringen, zu der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 erleichtert. Infolge dessen können elektrochemische Reaktionen in der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 auf effiziente Weise durchgeführt werden, auch wenn die Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 mit einem Ionomer beschichtet ist. Daher kann die Konzentrationsüberspannung der Anodenkatalysatorelektrodenschicht 4 verringert und gleichzeitig die Energieerzeugungsleistung des Brennstoffzellensystems verbessert werden, ohne dabei dessen Kosten zu erhöhen.
Bei dem Energieerzeugungsprozess des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform werden dem Brennstoffzellenstapel 1 verflüssigtes Ammoniak und Luft zugeführt. Wie oben erwähnt werden in den elektrochemischen Reaktionen in der Anodenkatalysatorelektrodenschicht und der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 nur Stickstoff und Wasser erzeugt, aber kein Kohlendioxid (CO₂). Wenn andererseits ein Brennstoff auf Kohlenstoffbasis verwendet wird, wird bei der Erzeugung von elektrischer Energie Kohlendioxid erzeugt. Durch die Verwendung von verflüssigtem Ammoniak als Brennstoff kann die Erzeugung von Kohlendioxid unterdrückt werden, während das Brennstoffzellensystem elektrische Energie erzeugt. Durch Unterdrücken der Erzeugung von Kohlendioxid kann zur Verhinderung der globalen Erwärmung beigetragen werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform wird der Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten Luft auf einen Druck gesteuert, der gleich dem Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks ist. Infolge dessen wird an den Brennstoffzellen 2 ein gleichmäßiger Druck angelegt. Somit kann eine Beschädigung der Anionenaustauschmembran 5 aufgrund eines Ungleichgewichts zwischen dem Druck des verflüssigten Ammoniaks und dem Druck der Luft in dem Brennstoffzellenstapel 1 unterdrückt werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform wird der Druck des dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten verflüssigten Ammoniaks gemäß der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 gesteuert. Zum Beispiel wird der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gemäß einem Temperaturanstieg des Brennstoffzellenstapels 1 erhöht. Ferner wird der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks gemäß einem Temperaturabfall des Brennstoffzellenstapels 1 verringert. Wenn der Zuführdruck des verflüssigten Ammoniaks zunimmt, wird der Zuführdruck der Luft ebenfalls erhöht. Wenn der Zuführdruck der Luft erhöht wird, nimmt der Partialdruck des Sauerstoffs in der Luft zu, so dass die Konzentrationsüberspannung (Diffusionspolarisation) der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 verringert werden kann. Das heißt, je höher in der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 der Partialdruck des Sauerstoffs in der Luft wird, desto höher ist die Möglichkeit des Sauerstoffs zu reagieren, so dass die Konzentrationsüberspannung der Kathodenkatalysatorelektrodenschicht 6 entsprechend reduziert wird. In Folge dessen kann die Energieerzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems verbessert werden.
Abwandlung
Das Brennstoffzellensystem gemäß der oben genannten Ausführungsform kann wie folgt modifiziert werden. Das heißt, das Brennstoffzellensystem gemäß der obigen Ausführungsform kann auf eine solche Weise modifiziert werden, dass das Ammoniak in einem Anodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems bei der Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems als Flüssigkeit vorliegt. Dabei ist der Anodenströmungspfad des Brennstoffzellensystems ein Verteilungskanal von Ammoniak, welcher den Brennstoffzellentank 13, die Anodenleitung 22 und die anodeninterne Leitung 3 enthält. Ferner ist die Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems die höchste Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, welche bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems festgelegt wird. Die Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems braucht nur mit Hilfe von Experimenten oder Simulationen berechnet werden.
Diese Abwandlung ändert das Brennstoffzellensystem darin, dass der Druck des von dem Brennstoffzellentank 13 zu der Anodenleitung 22 auszugebenden verflüssigten Ammoniaks und der Druck des von der Anodenleitung 22 zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks gleich oder höher als ein vorbestimmter Druck wird. Dieser vorbestimmte Druck ist ein Druck, bei dem das von dem Brennstoffzellentank 13 zu der Anodenleitung 22 auszugebende verflüssigte Ammoniak und das von der Anodenleitung 22 zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführende verflüssigte Ammoniak bei der Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems seinen flüssigen Zustand behält. Das heißt, dass bei der Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems der Druck des verflüssigten Ammoniaks, wenn das von dem Brennstoffzellentank 13 zu der Anodenleitung 22 auszugebende verflüssigte Ammoniak und das von der Anodenleitung 22 zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführende verflüssigte Ammoniak in ihren flüssigen Zuständen vorliegen, der vorbestimmte Druck wird.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung hat an Stelle des Druckregelventils 14 ein Festdruckregelventil. Das Festdruckregelventil reguliert das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak auf einen vorbestimmten Druck. Das Festdruckregelventil, das in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung eingebaut ist, wird zuvor so eingestellt, dass das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak der vorbestimmte Druck wird. Auch wenn das Festdruckregelventil kein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19 erhält, ist es für das Festdruckregelventil entsprechend möglich, das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak auf den vorbestimmten Druck zu regulieren.
Ferner ist bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform der Anodenströmungspfad so ausgelegt, dass er den Druck des verflüssigten Ammoniaks in dem Anodenströmungspfad standhält, wenn das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak auf den vorbestimmten Druck reguliert wird. Das heißt, die Anodenleitung 22 ist so ausgelegt, dass die Anodenleitung 22 nicht beschädigt werden kann, selbst wenn der Druck des von dem Brennstoffzellentank 13 ausgegebenen Verflüssigten Ammoniaks der vorbestimmte Druck wird. Ferner ist die anodeninterne Leitung 3 so ausgelegt, dass die anodeninterne Leitung 3 nicht beschädigt werden kann, selbst wenn der Druck des dem Brennstoffzellentank 13 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks der vorbestimmte Druck wird.
Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung anstelle des Kathodendrosselventils 12 ein Kathodenfestdruckventil haben. Das Kathodenfestdruckventil reguliert den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden Luft auf einen festen Druckwert, indem es den Gegendruck der von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegebenen Luft steuert. Hier ist der Festwert ein Wert, bei dem der Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden Luft gleich derselbe Druck wie der Druck des dem Brennstoffzellentank 13 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks wird. Das Kathodenfestdruckventil, das in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung eingebaut ist, wird zuvor so eingestellt, dass der Druck der dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden Luft ein fester Wert wird. Selbst wenn das Kathodenfestdruckventil kein Steuersignal von der elektronischen Steuereinheit 19 erhält, ist es somit für das Kathodenfestdruckventil möglich, den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführenden Luft auf den Festwert einzustellen.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung ist mit einer Kühlvorrichtung versehen, die an der Anodenleitung 22 vorgesehen ist, um das verflüssigte Ammoniak, das von dem Brennstofftank 13 zu der Anodenleitung 22 ausgelassen wird, zu kühlen. Die an der Anodenleitung 22 angeordnete Kühlvorrichtung ist mit der elektronischen Steuereinheit 19 elektrisch verbunden. Die elektronische Steuereinrichtung 19 steuert die Kühlvorrichtung, indem sie ein Steuersignal an die Kühlvorrichtung sendet. Die elektronische Steuereinheit 19 überwacht die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 so, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 nicht die Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems übersteigt. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels die Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems übersteigt, kann die elektronische Steuereinheit 19 die Kühlvorrichtung steuern, um die Temperatur des dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführenden verflüssigten Ammoniaks abzusenken.
Auch wenn in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Abwandlung die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 gleich oder niedriger als die Auslegungstemperatur des Brennstoffzellensystems ist, wird das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak auf die vorbestimmte Temperatur reguliert. Infolge dessen kann selbst dann, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 ansteigt, verflüssigtes Ammoniak stets unter Hochdruckbedingung dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt werden. Das heißt, indem das dem Brennstoffzellenstapel 13 zuzuführende verflüssigte Ammoniak auf den vorbestimmten Druck reguliert wird, kann das Ammoniak in seinem flüssigen Zustand dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden.
Zusammenfassung
Die Stromerzeugungsleistung einer Brennstoffzelle wird verbessert, indem eine Konzentrationsüberspannung einer Anode reduziert wird, ohne dabei deren Kosten zu erhöhen. Ein Brennstoffzellensystem ist mit einer Brennstoffzelle (1), die mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt, einer Brennstoffversorgungseinheit (13), die den Brennstoff der Brennstoffzelle (1) zuführt, einer Oxidationsmittelversorgungseinheit (10), die das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle (1) zuführt, einer Temperaturmesseinheit (17), die die Temperatur der Brennstoffzelle (1) misst, und einer Steuereinheit, die den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit (13) zu der Brennstoffzelle (1) zuzuführenden Brennstoffs gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle (1) steuert, versehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-244961 A [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle, die mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt; eine Brennstoffversorgungseinheit, die den Brennstoff der Brennstoffzelle zuführt; eine Oxidationsmittelversorgungseinheit, die das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle zuführt; eine Temperaturmesseinheit, die die Temperatur der Brennstoffzelle misst; und eine erste Steuereinheit, die den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit zu der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle steuert.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, welches ferner aufweist: eine zweite Steuereinheit, die den Druck des von der Oxidationsmittelversorgungseinheit zu der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels steuert; wobei die zweite Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise steuert, dass der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gleich zueinander werden.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffs gemäß einer Temperaturänderung der Brennstoffzelle steuert.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, wobei die zweite Steuereinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise steuert, dass, wenn sich der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs ändert, der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der geänderte Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gleich zueinander werden.
Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle, die mittels elektrochemischer Reaktionen zwischen einem Brennstoff, der verflüssigtes Ammoniak enthält, und einem Oxidationsmittel Strom erzeugt; eine Brennstoffversorgungseinheit, die der Brennstoffzelle den Brennstoff zuführt; und eine Oxidationsmittelversorgungseinheit, die der Brennstoffzelle das Oxidationsmittel zuführt.
Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, welches ferner aufweist: eine erste Regulierungseinheit, die den Druck des von der Brennstoffversorgungseinheit zu der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs reguliert; und eine zweite Regulierungseinheit, die den Druck des von der Oxidationsmittelversorgungseinheit zu der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels reguliert; wobei die zweite Regulierungseinheit den Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels auf eine solche Weise reguliert, dass der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Oxidationsmittels und der Druck des der Brennstoffzelle zuzuführenden Brennstoffs gleich zueinander werden.