DE112009005098T5

DE112009005098T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009005098T5
Application number: DE112009005098T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: KR20120024866A; DE112009005098B4; CN102473938B; JP5327316B2; CN102473938A; WO2011013226A1; US20120015270A1; KR101300897B1; US8927168B2; DE112009005098B8; JPWO2011013226A1

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem ausgebildet, das aufweist: eine Brennstoffzelle, die Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas, das zu einem Oxidationsgas-Strömungsweg geliefert wird, und einem Brenngas, das zu einem Brenngas-Strömungsweg geliefert wird, erzeugt; und eine Steuereinrichtung, die eine Oxidationsgasmenge, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, und eine Spannung der Brennstoffzelle anpasst. Die Steuereinrichtung weist eine Verengungsgrad-Bestimmungseinheit auf, die einen Verengungsgrad des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis eines stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsgases und der Spannung der Brennstoffzelle während eines Niedereffizienzbetriebs bestimmt, in dem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases während eines Normalbetriebs verringert ist, und eine Wärmeabgabe von der Brennstoffzelle gegenüber dem Normalbetrieb erhöht ist. Dadurch wird die Stabilität des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht.

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft das Steuern eines Brennstoffzellensystems während eines Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad.
Technischer Hintergrund
In vielen Brennstoffzellensystemen werden Brennstoffzellen verwendet, in denen eine Brennstoffelektrode und eine Oxidationsmittelelektrode auf den jeweiligen Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet sind, durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, der zur Brennstoffelektrode geliefert wird, und Luftsauerstoff, der zur Oxidationsmittelelektrode geliefert wird, Leistung erzeugt wird, und in denen an der Oxidationsmittelelektrode Wasser entsteht.
Wenn eine solche Brennstoffzelle bei einer Temperatur betrieben wird, die unter einer normalen Betriebstemperatur legt, ist es nicht möglich, eine vorgegebene Spannung und einen vorgegebenen Strom auszugeben, und somit wird nach dem Starten häufig ein Aufwärmbetrieb durchgeführt, bis die normale Betriebstemperatur erreicht ist. Als Verfahren für den Aufwärmbetrieb wird ein Niedereffizienzbetriebsverfahren vorgeschlagen, bei dem die Luftzufuhrmenge, die zur Brennstoffzelle geliefert wird, niedriger eingestellt ist als die normale Zufuhrmenge, und ein stöchiometrisches Luftverhältnis niedriger eingestellt ist als das stöchiometrische Luftverhältnis, das während eines Normalbetriebs verwendet wird (siehe beispielsweise Patentliteratur 1). Stöchiometrisches Luftverhältnis bedeutet ein Verhältnis der tatsächlichen Luftmenge in Bezug auf eine theoretisch nötige Luftmenge, die der Last der Brennstoffzelle entspricht, und das stöchiometrische Luftverhältnis während eines Normalbetriebs liegt üblicherweise bei etwa 2,0. Wenn das stöchiometrische Luftverhältnis niedrig eingestellt ist und der Niedereffizienzbetrieb durchgeführt wird, wird die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung größer als während eines Normalbetriebs, und somit wird der Wärmeverlust an Energie, die aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff extrahiert werden kann, (der Leistungserzeugungsverlust) größer.
Außerdem wird auch ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem, wenn die Brennstoffzelle in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen gestartet wird, das stöchiometrische Luftverhältnis zwischen 2,0, d. h. einem Standardwert, und 1,8 geändert wird, um einen Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle zu stabilisieren und um ihre Verschlechterung aufgrund einer ungenügenden Gaszufuhr zu hemmen; ein stöchiometrisches Wasserstoffverhältnis zwischen 1,2, d. h. einem Standardwert, und 1,05 geändert wird; ein stöchiometrisches Zellenverhältnis jeder Einheitszelle auf Basis einer prozentualen Änderung der Zellenspannung während dieses Prozesses berechnet wird; und die Zufuhrmengen an Luft und Wasserstoff erhöht werden, wenn das stöchiometrische Verhältnis der einzelnen Einheitszellen niedriger ist als ein vorgegebener Wert (siehe z. B. Patentliteratur 2).
[Druckschriften aus dem Stand der Technik]
[Patentliteratur]

Patentliteratur 1: JP 2007-141744 A
Patentliteratur 2: JP 2007-184202 A

Offenbarung der Erfindung
[Technisches Problem]
Bei Durchführung des Niedereffizienzbetriebs, bei dem die Strömungsrate der Luft, die zur Brennstoffzelle geliefert wird, niedriger ist und das stöchiometrische Luftverhältnis kleiner ist, verbinden sich Wasserstoffionen, Elektronen und Sauerstoff an der Luftelektrode, und es entsteht Wasser, und die Wasserstoffionen und Elektronen gehen neue Bindungen miteinander ein, wodurch entsprechend der zu niedrigen Luftströmungsrate Wasserstoff entsteht. Der Wasserstoff, der aufgrund der neu eingegangenen Bindungen zwischen abgespaltenen Wasserstoffionen und Elektronen an der Luftelektrode entsteht, wird als Pumpwasserstoff bezeichnet. Das Wasser und der Pumpwasserstoff, die an der Luftelektrode erzeugt werden, werden durch Abluft von der Luftelektrode in die Atmosphäre ausgetragen.
Der Pumpwasserstoff wird in die Atmosphäre ausgetragen, nachdem er mit Luft verdünnt wurde, aber wenn die Strömungsrate der Luft, die zur Luftelektrode geliefert wird, wegen des Niedereffizienzbetriebs verringert ist, kann es sein, dass die Verdünnung nicht ausreicht, und es kam zu dem Problem, dass die Wasserstoffkonzentration in der Abluft hoch wird. Da die Strömungsrate der Luft verringert ist, kann es außerdem passieren, dass die erzeugte Feuchtigkeit nicht ausreichend abgeführt werden kann, die Feuchtigkeit im Luftströmungsweg zurückbleibt und der Luftströmungsweg durch die Feuchtigkeit verengt wird. Wenn durch die entstandene Feuchtigkeit die Verengung des Luftströmungswegs bewirkt wird, ergibt sich das Problem, dass es um den verengten Luftströmungsweg herum zu einer Verschlechterung der Brennstoffzelle kommt.
Wenn es während des Niedereffizienzbetriebs zu einer Verengung des Luftströmungswegs kommt, kann gemäß dem Stand der Technik in Patentliteratur 1 die Verengung trotzdem nicht erfasst werden. Der Stand der Technik, der in Patentliteratur 2 beschrieben ist, kann nicht auf den Niedereffizienzbetrieb angewendet werden, bei dem die Luftströmungsrate verringert ist, und daher kann die Verengung des Luftströmungswegs während des Betriebs mit dem niedrigen Wirkungsgrad nicht bestimmt werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Stabilität des Niedereffizienzbetriebs in einem Brennstoffzellensystem verbessert ist.
[Lösung des Problems]
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem ausgebildet mit einer Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Oxidationsgas, das zu einem Oxidationsgas-Strömungsweg geliefert wird, und Brenngas, das zu einem Brenngas-Strömungsweg geliefert wird, Leistung erzeugt, und mit einer Steuereinrichtung, die eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, und eine Spannung der Brennstoffzelle regelt bzw. anpasst, wobei die Steuereinrichtung eine Verengungsgrad-Bestimmungseinheit aufweist, die einen Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis eines stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnisses und aufgrund der Spannung der Brennstoffzelle während eines Niedereffizienzbetriebs bestimmt, bei dem das stöchiometrische Oxidationsgasverhältnis des Oxidationsgases gegenüber einem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis während eines Normalbetriebs verringert ist, und bei dem eine Wärmemenge, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird, gegenüber einem Normalbetrieb erhöht ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit im Brennstoffzellensystem den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs vorzugsweise auf Basis des Spannungsunterschieds zwischen einer Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und einer Betriebsspannung der Brennstoffzelle.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem ferner auf: einen Temperatursensor, der eine Temperatur der Brennstoffzelle ermittelt, einen Spannungssensor, der die Spannung der Brennstoffzelle ermittelt, einen Stromsensor, der einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle ermittelt, und eine Strömungsraten-Ermittlungseinheit, die eine Strömungsrate des Oxidationsgases ermittelt, wobei die Steuereinrichtung aufweist: eine Einheit zum Berechnen eines Strom-Spannungs-Bezugskennwerts, die einen Strom-Spannungs-Bezugskennwert der Brennstoffzelle auf Basis der vom Temperatursensor ermittelten Temperatur der Brennstoffzelle berechnet, eine Einheit zum Berechnen des stöchiometrischen Verhältnisses, die das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases auf Basis der von der Strömungsraten-Ermittlungseinheit ermittelten Strömungsrate des Oxidationsgases berechnet, und eine Einheit zum Berechnen einer Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die eine Bezugsspannung, die dem vom Stromsensor erfassten Betriebsstrom der Brennstoffzelle entspricht, auf Basis des errechneten Strom-Spannungs-Bezugskennwerts berechnet und eine Oxidationsgaskonzentrations-bedingte Überspannung durch Subtrahieren der vom Spannungssensor ermittelten Betriebsspannung der Brennstoffzelle von der errechneten Bezugsspannung berechnet, und die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit bestimmt den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis des stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsgases und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit im Brennstoffzellensystem den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs vorzugsweise auf Basis eines Spannungsunterschieds zwischen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zum Berechnen der Oxidationsgaskonzentration berechnet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinrichtung im Brennstoffzellensystem vorzugsweise ferner eine Einheit zum Ausblasen eines Oxidationsgas-Strömungswegs auf, die, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und der Betriebsspannung der Brennstoffzelle größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, einen Betrieb zulässt, in dem die Strömungsrate des Oxidationsgases erhöht wird, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle erhöht wurde, um vom Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad in einen Normalbetrieb überzugehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Steuereinrichtung im Brennstoffzellensystem ferner eine Einheit zum Ausblasen eines Oxidationsgas-Strömungswegs auf, die, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zum Berechnen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, einen Ausblasbetrieb durchführt, bei dem die Strömungsrate des Oxidationsgases erhöht wird, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle erhöht wurde, um vom Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad in den Normalbetrieb überzugehen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Oxidationsgas im Brennstoffzellensystem vorzugsweise um Luft und bei dem Brenngas um Wasserstoff, und die Steuereinrichtung weist ferner auf: eine Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit, die auf Basis des Spannungsunterschieds zwischen der Brennstoffzellenspannung zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und der Betriebsspannung der Brennstoffzelle eine Pumpwasserstoffmenge von einer theoretischen Pumpwasserstoffmenge auf eine korrigierte Pumpwasserstoffmenge erhöht, eine Einheit zum Berechnen einer notwendigen Luftströmungsrate, die eine zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate auf Basis der korrigierten Pumpwasserstoffmenge, die von der Pumpwasserstoff-Korrektureinheit korrigiert wird, berechnet, und eine Luftströmungsraten-Erhöhungseinheit, die die Luftströmungsrate auf die zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate, die von der Einheit zum Berechnen der notwendigen Luftströmungsrate berechnet wird, erhöht.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Oxidationsgas im Brennstoffzellensystem vorzugsweise um Luft und bei dem Brenngas um Wasserstoff, und die Steuereinrichtung weist ferner auf: eine Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit, die auf Basis des Spannungsunterschieds zwischen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zum Berechnen einer Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, eine Pumpwasserstoffmenge von einer theoretischen Pumpwasserstoffmenge auf eine korrigierte Pumpwasserstoffmenge erhöht, eine Einheit zum Berechnen einer notwendigen Luftströmungsrate, die eine zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate auf Basis der korrigierten Pumpwasserstoffmenge, die von der Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit korrigiert wird, berechnet, und eine Luftströmungsraten-Erhöhungseinheit, die die Luftströmungsrate auf die zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate erhöht, die von der Einheit zur Berechnung der notwendigen Luftströmungsrate berechnet wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit im Brennstoffzellensystem den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs vorzugsweise gemäß einem Grad, in dem die Betriebsspannung der Brennstoffzelle im Vergleich zur zu normalen Zeiten vorliegenden bzw. normalen Spannung der Brennstoffzelle, die dem stöchiometrischen Oxidationsgasverhältnis entspricht, steigt, wenn das stöchiometrische Oxidationsgasverhltnis unter 1,0 liegt. Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung bestimmt die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungskanals vorzugsweise gemäß einem Umfang, in dem die Oxidationsgaskonzentrations-bedingte Überspannung, die von der Einheit zum Berechnen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, im Vergleich zu der normalen Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, sinkt, wenn das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases unter 1,0 liegt.
[Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung]
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird ein Vorteil in einem Brennstoffzellensystem erreicht, in dem die Stabilität des Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad verbessert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Systemskizze, die einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Ablaufschema, das die Bestimmung einer wasserbedingten Blockade in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ist eine Skizze, die Strom-Spannungs-Kennwerte eines Normalbetriebs und eines Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Graph, der eine Änderung der Betriebsspannung entsprechend einem stöchiometrischen Luftverhältnis in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 ist ein Graph, der eine Änderung der Unterschiede eines Druckverlustverhältnisses unter Zellen einer Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Ablaufschema, das eine andere Bestimmung einer wasserbedingten Blockierung in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Graph, der die Änderung einer Luftkonzentrations-bedingten Überspannung entsprechend einem stöchiometrischen Luftverhältnis in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Ablaufschema eines Luftblasbetriebs in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine erläuternde Skizze, die eine Änderung eines Betriebspunkts einer Brennstoffzelle während eines Luftblasbetriebs in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Ablaufschema der Berechnung einer Strömungsrate von Verdünnungsluft in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist ein Graph, der eine Änderung einer Pumpwasserstoffmenge, die einem stöchiometrischen Luftverhältnis in einem Brennstoffzellensystem entspricht, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
12 ist ein Graph, der eine Änderung eines Korrekturkoeffizienten einer Pumpwasserstoffmenge entsprechend einem Spannungsunterschied ΔVe zwischen einer Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ in einem Normalzustand und einer betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₁ in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, Eine Brennstoffzelle 11 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform verwendet sauerstoffhaltige Luft als Oxidationsgas und Wasserstoff als Brenngas. Die Luft, die das Oxidationsgas darstellt, wird durch einen Luftdurchsatzmesser 14 und eine Luftansaugleitung 16 aus der Atmosphäre in einen Luftkompressor 12 gesaugt, und ausgeführte Luft, die vom Luftkompressor 12 verdichtet wurde, wird von einer Luftzufuhrleitung 17 zur Brennstoffzelle 11 geliefert. Die Luft, die in die Brennstoffzelle 11 gelangt, reagiert mit Wasserstoff, der von einem Wasserstoffsystem geliefert wird, während sie den Luftströmungskanal passiert, der in der Brennstoffzelle 11 vorgesehen ist, und die Sauerstoffmenge wird verringert. Eine erzeugte Wassermenge, die in Folge dieser Reaktion im Luftströmungsweg in Form von Wasserdampf oder Wassertröpfchen entsteht, wird größer. Die Luft, deren Feuchtigkeitsmenge nach der Reaktion vergrößert ist, wird aus einem Luftströmungsweg innerhalb der Brennstoffzelle 11 in eine Luftabfuhrleitung 18 ausgeführt. Außerdem ist eine Umgehungsleitung 19 derart vorgesehen, dass ein Teil der angesaugten Luft nicht zur Brennstoffzelle 11 geliefert wird, sondern stattdessen zur Luftabfuhrleitung 18 geliefert wird, und ein Umgehungsventil 15 zur Anpassung einer Strömungsrate der Luft in der Umgehung ist in der Umgehungsleitung 19 vorgesehen. Die Luftabfuhrleitung 18 und die Umgehungsleitung 19 vereinigen und verbinden sich mit einer Abluftleitung 20. Die Luft, die in die Abluftleitung 20 gelangt, wird durch eine Atmosphären-Ausfuhröffnung 27 in die Atmosphäre ausgeführt. Eine Strömungsrate der Luft, die in das Brennstoffzellensystem 100 strömt, wird durch Anpassen einer Drehzahl eines Motors 13 des Luftkompressors 12 angepasst.
Das Wasserstoffgas, das als Brenngas dient, wird in einem Wasserstofftank 21 gespeichert. Der Wasserstoff wird vom Wasserstoffgastank 21 durch eine Wasserstoff-Zufuhrleitung 22 zu einem Wasserstoff-Strömungsweg innerhalb der Brennstoffzelle 11 geliefert. Ein Teil des Wasserstoffs, der in den Wasserstoff-Strömungsweg der Brennstoffzelle 11 gelangt, wird durch die Leistungserzeugung verbraucht, und unverbrauchter Wasserstoff wird von einem Wasserstoff-Strömungsweg innerhaib der Brennstoffzelle 11 zu einer Wasserstoff Auslassleitung 24 ausgeführt. Das Wasserstoffgas oder dergleichen, das nach der Reaktion zur Wasserstoff-Auslassleitung 24 ausgeführt wird, wird von einer Wasserstoffpumpe 23 einer Wasserstoff-Umwälzleitung 25 unter Druck gesetzt und wird zur Wasserstoff-Zufuhrleitung 22 umgewälzt. Wenn der Wasserstoff durch die Leistungserzeugung verbraucht wird und die Wasserstoffkonzentration abnimmt, wird ein Wasserstoff-Abfuhrventil 28 geöffnet, der Wasserstoff, der die Reaktion verlassen hat, wird von einer Wasserstoff-Abfuhrleitung 26 zur Abluftleitung 20 ausgeführt, mit der ausgeführten Luft verdünnt, und durch die Atmosphären-Auslassöffnung 27 in die Atmosphäre ausgeführt.
Ein Verbraucher 32 ist mit der Brennstoffzelle 11 verbunden, und es sind ein Spannungssensor 29, der eine Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 11 zum Verbraucher 32 ermittelt, und ein Stromsensor 30, der einen Ausgangsstrom ermittelt, vorgesehen. Außerdem ist ein Temperatursensor 31, der die Temperatur der Brennstoffzelle 11 ermittelt, an der Brennstoffzelle 11 aufgenommen. Der Motor 13 des Luftkompressors 12, das Umgehungsventil 15, die Wasserstoffpumpe 23 und das Wasserstoff-Abfuhrventil 28 sind mit einer Steuereinrichtung 50 verbunden und arbeiten gemäß einem Befehl von der Steuereinrichtung 50. Außerdem sind auch der Luftdurchsatzmesser 14, der Spannungssensor 29, der Stromsensor 30 und der Temperatursensor 31 derart mit der Steuereinrichtung 50 verbunden, dass jedes der erhaltenen Signale in die Steuereinrichtung 50 eingegeben werden kann. Die Steuereinrichtung 50 ist ein Computer, der in seinem Inneren eine CPU, die eine Signalverarbeitung durchführt, und einen Speicher aufweist, der ein Steuerprogramm, Steuerdaten usw. speichert. In 1 stellt eine Punkt-Strich-Linie eine Signalleitung dar.
Bevor die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 100 beschrieben wird, werden ein Normalbetrieb und ein Niedereffzienzbetrieb der Brennstoffzelle 11 beschrieben. Die Brennstoffzelle 11 wird durch Zuführen von Luft und Wasserstoffgas in Mengen, die größer sind als die Luft- und Wasserstoffgasmengen, die für eine Leistungsversorgung des Verbrauchers 32 theoretisch als notwendig betrachtet werden, betrieben. Ein Verhältnis der Strömungsrate von Luft, die tatsächlich zur Brennstoffzelle geliefert wird, zur Luftmenge, die für eine Leistungsversorgung des Verbrauchers 32 theoretisch als notwendig betrachtet wird, wird als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet, und ein Verhältnis einer Wasserstoffgasmenge, die tatsächlich zur Brennstoffzelle geliefert wird, zur Wasserstoffgasmenge, die für eine Leistungsversorgung des Verbrauchers 32 theoretisch als notwendig betrachtet wird, wird als stöchiometrisches Verhältnis des Wasserstoffgases bezeichnet. Im Normalbetrieb ist das stöchiometrische Luftverhältnis üblicherweise auf etwa 1,5 bis 2,0 eingestellt, und das stöchiometrische Wasserstoffgasverhältnis ist üblicherweise auf etwa 1,1 bis 1,2 eingestellt. Anders ausgedrückt wird Wasserstoffgas in einer Menge vom 1,1- bis 1,2-Fachen der Wasserstoffgasmenge, die theoretisch als notwendig für die Leistungsausgabe betrachtet wird, zur Brennstoffzelle 11 geliefert, und Luft in einer Menge vom 1,5- bis 2,0-Fachen der Menge, die theoretisch als notwendig für die Leistungsausgabe betrachtet wird, wird der Brennstoffzelle 11 für deren Betrieb zugeführt. Wenn die Brennstoffzelle 11 mit dem Wasserstoffgas und der Luft bei den auf diese Weise vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnissen betrieben wird, wäre eine Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom und einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 so, wie durch eine Kurve a von 3 dargestellt. Selbst wenn die Luftströmungsrate oder die Wasserstoff-Strömungsrate sich leicht ändern würde, ändert sich die Kurve nicht, und die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom sind entlang einer Kurve a definiert. Auf diese Weise ist ein Betriebszustand, in dem die Strom-Spannungs-Kennzahl der Brennstoffzelle 11 durch Zuführen des Wasserstoffgases und der Luft in Mengen, die mindestens so groß sind wie die Mengen, die theoretisch als notwendig für die Leistungsausgabe betrachtet werden, ein Normalbetrieb. Wenn, wie in 3 dargestellt, der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 I₁ ist, ist die Spannung beim Strom I₁ eine Bezugsspannung V₀.
Wenn dagegen die Strömungsrate von Luft, die zur Brennstoffzelle 11 geliefert wird, gegenüber dem normalen Betriebszustand verringert ist, so dass das stöchiometrische Luftverhältnis kleiner ist als 1,0; d. h. wenn die Luft in einer Menge zugeführt wird, die kleiner ist als die Luftmenge, die theoretisch als notwendig für die Ausgabe betrachtet wird, ändert sich die Ausgangsstrom/-spannungs-Kennzahl der Brennstoffzelle 11 von der Kurve a in eine Kurve b. Wie in 3 dargestellt, ist während eines Betriebs, bei dem der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 I₁ ist, die Betriebsspannung V₁, und ein Spannungsunterschied zur Bezugsspannung V₀ ist eine Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁. Wenn die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁ größer wird, wird der Verlust der Brennstoffzelle 11 größer, und die erzeugte Wärme wird größer. Wie bereits beschrieben, kann durch Verringern der Strömungsrate der Luft, die zur Brennstoffzelle 11 geliefert wird, um das stöchiometrische Luftverhältnis zu verringern, der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 11 verringert werden, und die Brennstoffzelle I kann durch die abgegebene Wärme aufgewärmt werden. Ein solcher Betrieb ist der Niedereffizienzbetrieb.
Wenn der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf den Betriebsstrom I₁ festgelegt ist, würde, wie in 3 dargestellt, die Betriebsspannung V₁ gegenüber der Bezugsspannung V₀ sinken, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis ausgehend vom normalen Betriebszustand kleiner wird. Kurven c bis f in 4 zeigen Änderungen der Betriebsspannung V₁, wenn der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf den Betriebsstrom I₁ festgelegt ist und das stöchiometrische Luftverhältnis geändert wird. Die Kurve c zeigt die Änderung der Betriebsspannung V₁ in Bezug auf das stöchiometrische Luftverhältnis, wenn keine wasserbedingte Blockierung des Luftströmungswegs vorliegt, und die Kurven d bis f zeigen Änderungen der Betriebsspannung V₁ in Bezug auf das stöchiometrische Luftverhältnis, wenn eine wasserbedingte Blockierung im Luftströmungsweg vorliegt, wobei die Kurve d einen Fall darstellt, wo der Grad der wasserbedingten Blockierung niedrig ist, und die Kurve f einen Fall darstellt, wo der Grad der wasserbedingten Blockierung hoch ist.
Falls die Luft gleichmäßig durch die gesamte Zelle und den gesamten Strömungsweg fließen würde, würde die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 theoretisch dann beginnen, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis 1,0 wird. In der Theorie wäre daher, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis bei 1,0 oder darunter liegt, die Betriebsspannung V₁ fast null, und wenn das stöchiometrische Luftverhältnis 1,0 überschreitet, würde die Leistungserzeugung in den Zellen sofort gestartet, und die Betriebsspannung V₁ würde sich schnell von fast null auf die Bezugsspannung V₀ ändern. Wie in 5(a) dargestellt, liegt jedoch sogar im Normalzustand, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt, eine Variation des Druckverlusts zwischen den Zellen vor. Genauer gibt es, wenn der durchschnittliche Druck 1,0 ist, eine Variation des Druckverlustverhältnisses von etwa 0,9 bis 1,0. Deswegen wird die Luftströmungsrate in einer Zelle, die ein kleineres Druckverlustverhältnis aufweist als die anderen Zellen, größer, und infolgedessen erreicht das stöchiometrische Luftverhältnis für eine einzelne Zelle in einem Teil der Zellen 1,0, bevor das stöchiometrische Gesamt-Luftverhältnis 1,0 erreicht, und die Leistungserzeugung beginnt. In Zellen, die einen größeren Druckverlust haben, erreicht dagegen das stöchiometrische Luftverhältnis nicht 1,0, wenn das stöchiometrische Gesamt-Luftverhältnis 1,0 erreicht, und die Leistungserzeugung wird beispielsweise erst dann gestartet, wenn das stöchiometrische Gesamt-Luftverhältnis 1,1 erreicht. In der realen Brennstoffzelle 11 würde daher im Normalzustand die Betriebsspannung V₁ in Bezug auf das stöchiometrische Luftverhältnis eine S-förmige Kurve mit einem scharfen Anstieg zeigen, wie von der Kurve c in 4 dargestellt, wo die Betriebsspannung V₁ vom stöchiometrischen Luftverhältnis von etwa 0,9 aus schnell ansteigt, um das stöchiometrische Luftverhältnis von etwa 1,1 herum eine Spannung wird, die sehr nahe an der Bezugsspannung V₀ liegt, und dann allmählich zur Bezugsspannung V₀ hin ansteigt.
Da der Niedereffizienzbetrieb der Betrieb ist, in dem die Strömungsrate der Luft im Vergleich zum Normalbetrieb verringert ist, kann es sein, dass die Feuchtigkeit oder die Wassertröpfchen, die an der Luftelektrode erzeugt wird bzw. werden, nicht ausreichend aus dem Luftströmungsweg ausgetragen wird bzw. werden, und dass eine wasserbedingte Blockierung in einem Teil des Luftströmungswegs bewirkt wird. In diesem Fall ist, wie in 5(b) dargestellt, die Variation des Druckverlustverhältnisses unter Zellen in einem Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1,3 verteilt. Deswegen wird, wenn die wasserbedingte Blockierung eintritt, selbst wenn beispielsweise das stöchiometrische Luftverhältnis etwa 0,7 ist, bei einer Zelle mit niedrigem Druckverhältnis und in der keine wasserbedingte Blockierung vorliegt, das stöchiometrische Luftverhältnis 1,0 und die Leistungserzeugung wird gestartet. Dagegen beginnt in einer Zelle, die unter den Zellen ein großes Druckverlustverhältnis zeigt, wo der Druck aufgrund einer wasserbedingten Blockierung erhöht ist, die Leistungserzeugung beispielsweise erst, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis 1,3 ist. Wenn es zu einer wasserbedingten Blockierung kommt, beginnt daher die Zunahme der Betriebsspannung V₁ bei einem im Vergleich zu dem Fall, dass keine wasserbedingte Blockierung vorliegt, niedrigeren stöchiometrischen Luftverhältnis, und die Betriebsspannung V₁ kommt der Bezugsspannung V₀ bei einem höheren stöchiometrischen Luftverhältnis nahe als in dem Fall, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Wenn der Grad der wasserbedingten Blockierung zunimmt, wird auch die Variation des Druckverlustverhältnisses unter den Zellen größer. Somit ist das stöchiometrische Luftverhältnis, bei dem die Betriebsspannung V₁ zu steigen beginnt, umso niedriger, und das stöchiometrische Verhältnis, bei dem die Bezugsspannung V₁ in die Nähe der Bezugsspannung V₀ kommt, ist umso höher, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist. Anders ausgedrückt wird der Anstieg der Betriebsspannung V₁ aufgrund des Anstiegs des stöchiometrischen Luftverhältnisses sanfter. Wenn der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf den Betriebsstrom I₁ festgelegt ist und das stöchiometrische Luftverhältnis geändert wird, folgt, wie in 4 dargestellt, die Betriebsspannung V₁ einer S-förmigen Kurve, die einen allmählichen Anstieg zeigt, wie von den Kurven d bis f dargestellt, die mit Punkt-Strich-Linien gezeichnet sind und die einen geringeren Anstieg zeigen als die Kurve c, die die Änderung der Betriebsspannung V₁ in einem Zustand, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt, darstellt. Je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist, desto mehr nähert sich die Änderung der Betriebsspannung V₁ der Kurve f an, und je niedriger der Grad der wasserbedingten Blockierung ist, desto mehr nähert sich die Änderung der Betriebsspannung V₁ der Kurve d an.
Wie in 4 dargestellt, ändert sich die Betriebsspannung V₁ auf die oben beschriebene Weise, wenn eine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Wenn das Brennstoffzellensystem so betrieben wird, dass der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf dem Betriebsstrom I₁ festgelegt ist, ist somit in einer Region, wo das stöchiometrische Luftverhältnis niedriger ist als ein Wert nahe 1,0, die Betriebsspannung V₁ verglichen mit der Betriebsspannung V₂ im Normalzustand, wo es keine wasserbedingte Blockierung gibt, umso höher, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist. Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Zustand betrieben wird, wo das stöchiometrische Luftverhältnis größer ist als ein Wert in der Nähe von 1,0, und niedriger ist als das stöchiometrische Luftverhältnis So des Normalbetriebs, ist außerdem die Betriebsspannung niedriger als in dem Fall, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Bezogen auf das gleiche stöchiometrische Luftverhältnis ist ein Spannungsunterschied ΔV zwischen der Betriebsspannung des Normalzustands, wo es keine wasserbedingte Blockierung gibt, und der Betriebsspannung in dem Fall, wo es eine wasserbedingte Blockierung gibt, umso größer, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist.
Die Steuereinrichtung 50 beginnt den oben beschriebenen Niedereffizienzbetrieb wie in Schritt S101 von 2 dargestellt. Als Verfahren zum Steuern des Niedereffizienzbetriebs können verschiedene Verfahren in Betracht gezogen werden, und ein solches Verfahren ist ein Verfahren, in dem Luft und Wasserstoffgas in vorgegebenen Mengen, die vorab gemäß der im Niedereffizienzbetrieb ausgegebenen Leistung eingestellt werden, zur Brennstoffzelle geliefert werden, um den Betrieb der Brennstoffzelle 11 zu starten, und dann die Spannung auf der Seite des Verbrauchers so gesteuert wird, dass die Betriebsspannung V₁ der Brennstoffzelle 11 festgelegt wird und die Strömungsrate der Luft angepasst wird, um die nötige Leistung zu erhalten und um den Ausgangsstrom auf einen vorgegebenen Strom I₁ zu regeln. In diesem Fall können die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 auf eine Leistung eingestellt werden, die vom Verbraucher im Niedereffizienzbetrieb verbraucht werden kann, aber das stöchiometrische Luftverhältnis würde vom voreingestellten stöchiometrischen Luftverhältnis abweichen.
Nun wird mit Bezug auf 2 bis 5 der Betrieb zu Bestimmung der wasserbedingten Blockierung des Luftströmungswegs innerhalb der Brennstoffzelle 11, wenn das Brennstoffzellensystem 100 im Niedereffizienzbetrieb betrieben wird, beschrieben. Wie in Schritt S101 von 2 dargestellt, startet die Steuereinrichtung 50 den Niedereffizienzbetrieb, nachdem die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle 50 gestartet hat, und, wie in Schritt S102 von 2 dargestellt, wird die Betriebsspannung V₁ der Brennstoffzelle 11 vom Spannungssensor 29 ermittelt, der in 1 dargestellt ist, und, wie in Schritt S103 von 2 dargestellt, wird der Betriebsstrom I₁ der Brennstoffzelle 11 vom Stromsensor 30 ermittelt. Dann ermittelt die Steuereinrichtung 50 die Ansaugluft-Strömungsrate des Brennstoffzellensystems 100 anhand des Luftdurchsatzmessers 14, wie in Schritt S104 von 2 dargestellt. Wenn das Umgehungsventil 15 offen ist, berechnet die Steuereinrichtung 50 die Umgehungsströmungsrate auf Basis des Öffnungsgrads des Umgehungsventils 15 und stellt eine Strömungsrate, die durch Subtrahieren der Umgehungsströmungsrate von der Ansaugluft-Strömungsrate erhalten wird, als Zufuhrluft-Strömungsrate der Brennstoffzelle 11 ein. Die Steuereinrichtung 50 berechnet die Leistung, die von der Brennstoffzelle 11 an den Verbraucher 32 ausgegeben wird, auf Basis der ermittelten Betriebsspannung V₁ und des ermittelten Betriebsstroms I₁, wie in Schritt S105 von 2 dargestellt, und berechnet eine theoretisch notwendige Luftströmungsrate, die theoretisch für die Ausgangsleistung nötig ist. Die Zufuhrluft-Strömungsrate zur Brennstoffzelle 11 wird durch die theoretisch notwendige Luftströmungsrate geteilt, um das stöchiometrische Betriebs-Luftverhältnis S₁ zu berechnen.
Wenn die Steuereinrichtung 50 die Ermittlung der Betriebsspannung V₁ und die Berechnung des stöchiometrischen Betriebs-Luftverhältnisses S₁ abschließt, ermittelt die Steuereinrichtung 50 einen Spannungsunterschied ΔV zwischen der Betriebsspannung V₂ in einem normalen Zustand, wo das stöchiometrische Luftverhältnis dem stöchiometrischen Betriebs-Luftverhältnis S₁ gleich ist, im Kennfeld, das in 4 dargestellt ist, und der Betriebsspannung V₁, wie in Schritt S106 von 2 dargestellt. Wenn der ermittelte Spannungsunterschied ΔV über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wird, wie in Schritt S107 von 2 dargestellt, bestimmt, dass eine wasserbedingte Blockierung vorliegt, und wenn der Spannungsunterschied ΔV nicht über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, wird bestimmt, dass keine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung 50 den Grad der wasserbedingten Blockierung im Luftströmungsweg auf Basis der Höhe des Spannungsunterschieds ΔV bestimmen. Der Grad der wasserbedingten Blockierung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass man eine Mehrzahl von Graden einer wasserbedingten Blockierung entsprechend dem Spannungsunterschied ΔV einstellt und einen der Grade der wasserbedingten Blockierung ausgibt.
In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform kann die wasserbedingte Blockierung des Luftströmungswegs während des Niedereffzienzbetriebs der Brennstoffzelle 11 bestimmt werden, und daher kann ein instabiler Betrieb der Brennstoffzelle 11, der auf die wasserbedingte Blockierung zurückgeht, verhindert werden.
Nun wird mit Bezug auf 6 und 7 ein anderes Verfahren zum Bestimmen einer wasserbedingten Blockierung des Brennstoffzellensystems 100 der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Abschnitte, die denen ähnlich sind, die oben mit Bezug auf 1 bis 5 beschrieben wurden, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird die wasserbedingte Blockierung auf Basis eines Kennfelds einer Luftkonzentrationsbedingten Überspannung Ve, die dem stöchiometrischen Betriebs-Luftverhältnis entspricht, bestimmt.
Wenn die Brennstoffzelle 11 im Niedereffizienzbetriebs bei der Bezugsspannung I₁ betrieben wird, ist, wie bereits mit Bezug auf 3 beschrieben wurde, die Betriebsspannung V₁ niedriger als die Bezugsspannung V₀, wenn die Brennstoffzelle 11 normal beim Betriebsstrom I₁ betrieben wird. Der Spannungsunterschied zwischen der Bezugsspannung V₀ und der Betriebsspannung V₁ ist die betriebsmäßige Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁. Eine Strom-Spannungs-Kennzahl der Brennstoffzelle 11 während eines Normalbetriebs, die von der Kurve a von 3 dargestellt ist, und eine Strom-Spannungs-Kennzahl während eines Niedereffizienzbetriebs, die von der Kurve b dargestellt ist, ändern sich abhängig von der Temperatur der Brennstoffzelle 11. Wenn die wasserbedingte Blockierung auf Basis des in 4 dargestellten Kennfelds für verschiedene Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle 11 bestimmt wird, muss daher für jede Temperatur der Brennstoffzelle 11 in einer Mehrzahl von Kennfeldern nachgesehen werden. Selbst wenn die Strom-Spannungs-Kennzahl der Brennstoffzelle 11 während des Normalbetriebs, die in der Kurve a von 3 dargestellt ist, und die Strom-Spannungs-Kennzahl während des Niedereffizienzbetriebs, die von der Kurve b dargestellt ist, sich ändern, ändert sich somit die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve, bei der es sich um den Unterschied zwischen diesen Kurven handelt, nicht nennenswert. Daher werden in der vorliegenden Ausführungsform die Berechnung der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve und die Bestimmung der wasserbedingten Blockierung auf Basis des Kennfelds zwischen der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve und dem stöchiometrischen Luftverhältnis so durchgeführt, dass die Berechnung vereinfacht und die Effizienz der Berechnung im Vergleich zu der oben mit Bezug auf 1–5 beschriebenen Ausführungsform verbessert werden können, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 11 sich ändert.
Wie in 6 dargestellt, beginnt die Steuereinrichtung 50 mit dem Niedereffizienzbetrieb, nachdem die Steuereinrichtung 50 das Brennstoffzellensystem 100 gestartet hat, wie in Schritt S201 gezeigt. Die Steuereinrichtung 50 ermittelt eine Betriebstemperatur T₁ der Brennstoffzelle 11 anhand des in 1 dargestellten Temperatursensors 31, wie in Schritt 202 von 6 dargestellt, ermittelt den Betriebsstrom I₁, bei dem es sich um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 handelt, anhand des Stromsensors 30, wie in Schritt S203 von 6 dargestellt, und ermittelt eine Betriebsspannung V₁ der Brennstoffzelle 11 anhand des Stromsensors 29, wie in Schritt S204 von 6 dargestellt.
Wie in Schritt S205 von 6 dargestellt, wählt die Steuereinrichtung 50 auf Basis der ermittelten Temperatur der Brennstoffzelle 11 eine Strom-Spannungs-Kennzahl des stöchiometrischen Luftverhältnisses So unter einer Mehrzahl von Strom-Spannungs-Kennzahlen während eines Normalbetriebs aus, die für jede Temperatur in einem Speicher erstellt wurden, und ermittelt eine Bezugsspannung V₀ beim Betriebsstrom I₁ und bei der Betriebstemperatur T₁ auf Basis der ausgewählten Strom-Spannungs-Kennzahl und des ermittelten Betriebsstroms I₁. Wie in Schritt S206 von 6 und in 3 dargestellt, subtrahiert die Steuereinrichtung 50 dann die Betriebsspannung V₁ der Brennstoffzelle 11 von der ermittelten Bezugsspannung V₀, um die betriebsmäßige Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁ zu berechnen, wenn der Betriebsstrom I₁ ist und die Temperatur T₁ ist. Wie in Schritt S207 von 6 dargestellt, ermittelt die Steuereinrichtung 50 die Ansaugluft-Strömungsrate des Brennstoffzellensystems 100 anhand des Luftdurchsatzmessers 14 und berechnet, wie in Schritt S208 von 6 dargestellt, das betriebsmäßige stöchiometrische Luftverhältnis S₁ anhand eines Verfahrens, das der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist.
Da die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁ ein Unterschied zwischen der Bezugsspannung V₀ und der Betriebsspannung V₁ ist, wird, wie in 4 dargestellt, die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung höher und kommt in die Nähe der Bezugsspannung V₀, wenn das stöchiometrische Luftverhälnis kleiner wird, und wenn das stöchiometrische Luftverhältnis größer wird, wird die Luftkonzentrationsbedingte Überspannung kleiner und wird im Normalbetrieb bei einem stöchiometrischen Luftverhältnis S₀ zu 0. Wenn das stöchiometrische Luftverhältnis sich ändert, während der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf dem Betriebsstrom I₁ festgelegt ist, wird die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve eine S-förmige Kurve mit einem allmählichen Anstieg, der in 7 von Kurven h bis j mit Punkt-Strich-Linien dargestellt ist, in denen der Abfall geringer ist als bei der Kurve g, die die Änderung der Lufttkonzentrations-bedingten Überspannung Ve in einem Zustand ohne wasserbedingte Blockierung zeigt. Die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve zeigt eine Änderung, die umso näher an der Kurve j liegt, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist, und die Luftkonzentrations-bedingte Verengung Ve zeigt eine Änderung, die umso näher an der Kurve h liegt, je niedriger der Grad der wasserbedingten Blockierung ist.
Wenn eine wasserbedingte Blockierung vorliegt, ändert sich die Luftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve auf die oben beschriebene Weise, wie in 7 dargestellt. Wenn die Brennstoffzelle 11 betrieben wird, während der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 auf dem Betriebsstrom I₁ festgelegt ist, wird in einer Region, wo das stöchiometrische Luftverhältnis niedriger ist als ein Wert um 1,0, die betriebsmäßige Luftkonzentrations-bedingte Übersparniung Ve₁ daher gegenüber der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt, umso niedriger, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung ist. Wenn dagegen das stöchiometrische Luftverhältnis größer ist als ein Wert in der Nähe von 1,0, und die Brennstoffzelle in einem Zustand betrieben wird, wo das stöchiometrische Luftverhältnis niedriger ist als das stöchiometrische Luftverhältnis S₀ während des Normalbetriebs, wird die Betriebsluftkonzentrations-bedingte Überspannung Ve₁ höher als in dem Fall, wo keine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Beim gleichen stöchiometrischen Luftverhältnis wird der Spannungsunterschied ΔV zwischen der betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand ohne wasserbedingte Blockierung und der betriebsmäßigen Luftkonzentrationsbedingten Überspannung Ve₁ in dem Fall, wo eine wasserbedingte Blockierung vorliegt, umso größer, je höher der Grad der wasserbedingten Blockierung wird.
Wenn die Steuereinrichtung 50 die Ermittlung der betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₁ und die Berechnung des stöchiometrischen betriebsmäßigen Luftverhältnisses S₁ abgeschlossen hat, wie in Schritt S209 von 6 dargestellt, ermittelt die Steuereinrichtung 50 einen Spannungsunterschied ΔVe zwischen der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand und der betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₁ an einem Punkt, wo das stöchiometrische Luftverhältnis dem stöchiometrischen Betriebsluftverhältnis S₁ in dem in 7 dargestellten Kennfeld gleich ist. Wie in Schritt S210 von 6 dargestellt, wird bestimmt, dass eine wasserbedingte Blockierung vorliegt, wenn der ermittelte Spannungsunterschied ΔVe größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und wenn der Spannungsunterschied ΔVe nicht größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, wird bestimmt, dass keine wasserbedingte Blockierung vorliegt. Alternativ dazu kann der Grad der wasserbedingten Blockierung des Luftströmungswegs auf Basis der Größe des Spannungsunterschieds ΔVe bestimmt werden. Der Grad der wasserbedingten Blockierung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass man eine Mehrzahl von Graden für wasserbedingte Blockierungsgrade einstellt, die dem Spannungsunterschied ΔVe entsprechen, und einen der wasserbedingten Blockierungsgrade ausgibt.
In der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform können, zusätzlich zu den Vorteilen der oben mit Bezug auf 1 bis 5 beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, Vorteile dahingehend erhalten werden, dass die wasserbedingte Blockierung mit weniger Kennfeldern ermittelt werden und die Steuerung vereinfacht werden kann.
Nun wird ein Luftblasbetrieb, der durchgeführt wird, wenn es während des Betriebs mit dem niedrigen Wirkungsgrad zu einer wasserbedingten Blockierung kommt, mit Bezug auf 8 und 9 beschrieben. Abschnitte, die denen ähnlich sind, die mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben wurden, werden nicht noch einmal beschrieben.
Wie in Schritten S301 bis S309 von 8 dargestellt, ermittelt die Steuereinrichtung 50 den Spannungsunterschied ΔVe zwischen der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand und der betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₁, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis das stöchiometrische Betriebsluftverhälnis S₁ ist, in Schritten, die denen der oben mit Bezug auf 6 und 7 beschriebenen Ausführungsform ähnlich sind. Wie in Schritt S310 von 8 dargestellt, wird bestimmt, ob der ermittelte Spannungsunterschied ΔVe größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert oder ob nicht, und wenn der Spannungsunterschied ΔVe größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, wird bestimmt, dass der Grad der wasserbedingten Blockierung groß ist, und dass der Luftblasprozess nötig ist. Wie in Schritt S311 von 8 dargestellt, führt die Steuereinrichtung 50 einen Prozess zur Unterbrechung des Niedereffizienzbetriebs durch. Wenn dagegen der ermittelte Spannungsunterschied ΔVe kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert, kehrt der Prozess zu Schritt S302 von 8 zurück, und die Überwachung der wasserbedingten Blockierung wird fortgesetzt.
Wie in 9 dargestellt, wird die Brennstoffzelle 11 während des Niedereffizienzbetriebs bei der Betriebsspannung V₁ und dem Betriebsstrom I₁ auf der Kurve b betrieben, welche die Strom-Spannungs-Kennzahl darstellt. Wenn die Luftströmungsrate in diesem Zustand erhöht wird, würde sich die Strom-Spannungs-Kennzahl der Brennstoffzelle zur Kurve a hin verändern, welche die Strom-Spannungs-Kennzahl im Normalbetrieb darstellt, und daher würden der Strom verstärkt und die Leistungsausgabe in einem Umfang erhöht, der über das hinausgeht, was der Verbraucher benötigt, wenn die Betriebsspannung V₁ konstant bleibt.
Angesichts dessen erhöht die Steuereinrichtung 50 zuerst die Spannung des Verbrauchers 32, um die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 von V₁ zu erhöhen, und regelt außerdem eine Drehzahl des Motors 13 des Luftkompressors 12, um die Menge an zugeführter Luft so zu regeln, dass der Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 sich entlang einer Äqui-Ausgangskurve k ändert, die von einer gepunkteten Linie in 9 dargestellt ist. Die Steuereinrichtung 50 verschiebt den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 11 vom Betriebspunkt P₁ mit der Betriebsspannung V₁, dem Betriebspunkt I₁ und dem stöchiometrischen Betriebsluftverhältnis S₁ entlang der Äqui-Ausgangskurve k zu einem Betriebspunkt P3 auf der Kurve a, die den Spannung-Strom-Kennwert im Normalbetrieb darstellt. Am Betriebspunkt P₃ wird die Brennstoffzelle 11 mit einer Betriebsspannung V₃, einem Betriebsstrom I₃ und einem betriebsmäßigen stöchiometrischen Luftverhältnis S₃ betrieben. Da der Betriebspunkt P₃ ein Betriebspunkt auf der Kurve a der Strom-Spannungs-Kennzahl im Normalbetrieb ist, ist der Betriebspunkt P₃ ein Betriebspunkt, an dem die Ausgangsspannung sich beispielsweise entlang der Kurve a ändert, wenn der Strom sich ändert, aber die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 sich nicht ändern, auch wenn die Luftströmungsrate geändert wird. Auf diese Weise unterbricht die Steuereinrichtung 50 den Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad durch Erhöhen der Betriebsspannung V₁ der Brennstoffzelle 11 und durch Verschieben des Betriebspunkts zu einem Betriebspunkt auf der Kurve a, welche die Strom-Spannungs-Kennzahl im Normalbetrieb darstellt.
Nachdem die Steuereinrichtung 50 den Niedereffizienzbetriebs unterbrochen hat, wie in Schritt S312 von 8 dargestellt, erhöht die Steuereinrichtung 50 eine Drehzahl des Motors 13 des Luftkompressors 12, um eine Luftströmungsrate zur Brennstoffzelle 11 zu erhöhen, um dadurch das Wasser, das im Luftströmungsweg zurückgeblieben ist, auszublasen. Die Luftströmungsrate kann auf eine maximale Luftströmungsrate des Luftkompressors 12 eingestellt sein oder kann auf einen vorgegebenen Wert erhöht werden, der eigens eingestellt wird.
Wenn der Luftblasprozess abgeschlossen ist, beginnt die Steuereinrichtung 50 erneut mit dem Niedereffizienzbetrieb, wie in Schritt S313 von 8 dargestellt. Die Steuereinrichtung 50 senkt die Spannung des Verbrauchers 32, um den Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 zu verringern, so dass die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 sich entlang der Äqui-Ausgangskurve k bewegen, und auch, um die Luftströmungsrate und das stöchiometrische Luftverhältnis so anzupassen, dass der Ausgangsstrom sich entlang der Äqui-Ausgangskurve k auf eine Weise ändert, die derjenigen des Übergangs vom Betriebspunkt P₁ des Niedereffizienzbetriebs zum Betriebspunkt P₃ auf der Kurve a des Strom-Spannungs-Kennwerts im Normalbetrieb entgegengesetzt ist. Die Steuereinrichtung 50 führt somit den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 11 zum Betriebspunkt P₁ des Niedereffizienzbetriebs zurück und setzt den Niedereffizienzbetrieb und die Überwachung der wasserbedingten Blockierung fort. Wenn der Spannungsunterschied ΔVe während des Niedereffizienzbetriebs größer wird als der vorgegebene Schwellenwert, wendet die Steuereinrichtung 50 erneut den Luftblasprozess an.
Die vorliegende Ausführungsform ist dahingehend von Vorteil, dass der Niedereffizienzbetrieb stabil fortgesetzt werden kann, weil die wasserbedingte Blockierung während des Niedereffizienzbetriebs bestimmt wird und der Luftblasprozess im Luftströmungsweg auf Basis der Bestimmung durchgeführt wird.
Nun wird ein Prozess zum Verdünnen von Pumpwasserstoff, der während des Niedereffizienzbetriebs erzeugt wird, beschrieben. Bevor der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 erklärt wird, wird die Erzeugung des Pumpwasserstoffs beschrieben. Eine theoretische Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge W_H0, die in der Brennstoffzelle 11 erzeugt wird, wird anhand der folgenden Formel beschrieben. W_H0 = (1 – S₁) × I₁ × n/(2 × F) × 22,4 × 60 wobei:

W_H0: eine theoretische Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge bezeichnet;
S₁: ein betriebsmäßiges stöchiometrisches Luftverhältnis bezeichnet;
I₁: den Betriebsstrom der Brennstoffzelle bezeichnet;
F: den Faraday-Koeffizienten bezeichnet; und
n: die Zahl der Zellen bezeichnet.

Anders ausgedrückt wird in der Theorie der Pumpwasserstoff proportional zum Betriebsstrom I₁ der Brennstoffzelle 11 erzeugt, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis auf oder unter 1,0 sinkt, und kann auf Basis des Betriebsstroms I₁ der Brennstoffzelle 11 und des stöchiometrischen Luffverhältnisses S₁ berechnet werden. Wie bereits mit Bezug auf 5(a) beschrieben, besteht jedoch eine Variation des Druckverlusts unter den Zellen auch dann, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis der Brennstoffzelle 11 insgesamt bei oder über 1,0 liegt, und daher ist die Luftströmungsrate je nach Zelle möglicherweise ungenügend, und es kann zu einer Situation kommen, wo die einzelne Zelle ein stöchiometrisches Luftverhältnis von unter 1,0 aufweist, was zur Erzeugung von Pumpwasserstoff in der Zelle führt. Wenn es zu einer wasserbedingten Blockierung des Luftströmungswegs kommt, wird die Variation des Druckverlusts unter den Zellen größer, und somit wird die Zahl der Zellen, in denen aufgrund der ungenügenden Luftströmungsrate Pumpwasserstoff erzeugt wird, größer. Deswegen wird die Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge umso größer, je größer der Grad der wasserbedingten Blockierung wird, wie von den Kurven c' bis f' von 11 dargestellt. Die Kurven c' bis f' sind Kurven, die die Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge für die wasserbedingten Blockierungsgrade zeigen, die den wasserbedingten Blockierungsgraden der Kurven c bis d von 4 und der Kurven h bis j von 7 entsprechen. Wie in 11 dargestellt, wird die Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge größer als die theoretische Erzeugungsmenge W_H0, wenn der Grad der wasserbedingten Blockierung größer wird. Da der Spannungsunterschied ΔVe zwischen der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand und der betriebsmäßigen Luftkonzentrationsbedingten Überspannung Ve₁ für das oben mit Bezug auf 6 und 7 beschriebene betriebsmäßige stöchiometrische Luftverhältnis S₁ größer wird, wenn der Grad der wasserbedingten Blockierung größer wird, wäre außerdem die Kennwertkurve der Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge in Bezug auf die theoretische Erzeugungsmenge W_H0 auf Basis des Spannungsunterschieds ΔVe so wie in 12 dargestellt. Die Steuereinrichtung 50 speichert das in 12 dargestellte Kennfeld in einem Speicher.
Nun wird ein Ablauf des Pumpwasserstoff-Verdünnungsprozesses mit Bezug auf 10 und 11 beschrieben. Wie in Schritten S401 bis S409 von 10 beschrieben, ermittelt die Steuereinrichtung 50 den Spannungsunterschied ΔVe zwischen der Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₂ im Normalzustand und der betriebsmäßigen Luftkonzentrations-bedingten Überspannung Ve₁, wenn das stöchiometrische Luftverhältnis dem stöchiometrischen Betriebsluftverhältnis S₁ entspricht, in Schritten, die denen der oben mit Bezug auf 6 und 7 beschriebenen Ausführungsform ähnlich sind. Wie in Schritt S410 von 10 gezeigt, ermittelt die Steuereinrichtung 50 einen Koekturkoeffizienten in Bezug auf die theoretische Pumpwasserstoff-Erzeugungsmenge W_H0 aus dem in 12 dargestellten Kennfeld und multipliziert die theoretische Erzeugungsmenge W_H0 und den Korrekturkoeffizienten, um eine korrigierte Pumpwasserstoffmenge zu berechnen. Wie in Schritt S411 von 10 dargestellt, teilt die Steuereinrichtung 50 die korrigierte Pumpwasserstoffmenge durch eine Verdünnungswasserstoff-Konzentration, um eine nötige Verdünnungsluft-Strömungsrate zu berechnen. Die Steuereinrichtung 50 stellt eine Luftströmungsrate, die durch Addieren der nötigen Verdünnungsluft-Strömungsrate und der Luftströmungsrate, die nötig ist für das betriebsmäßige stöchiometrische Luftverhältnis S₁ des Niedereffizienzbetriebs in der Brennstoffzelle 11, ermittelt wird, als Ansaugluft-Strömungsrate ein, und wie in Schritt S413 von 10 dargestellt, erhöht die Steuereinrichtung 50 die Drehzahl des Motors 13 des Luftkompressors 12, um die Ansaugluft-Strömungsrate zu erhöhen. Die Steuereinrichtung 50 öffnet das Umgehungsventil 15, um zu ermöglichen, dass ein Strom der erhöhten Luftmenge nicht zur Brennstoffzelle 11, sondern durch die Umgehungsleitung 19 zur Abluftleitung 20 strömt, so dass die Wasserstoffgaskonzentration der abgeführten Luft auf höchstens eine vorgegebene Verdünnungskonzentration eingestellt wird, während der Betrieb mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 11 aufrechterhalten wird.
Die vorliegende Ausführungsform ist dahingehend von Vorteil, dass der Niedereffizienzbetrieb stabil fortgesetzt werden kann, weil die Zunahme der Konzentration an abgeführtem Wasserstoff, die auf Pumpwasserstoff zurückgeht und die entsprechend dem Grad einer wasserbedingten Blockierung höher wird, während eines Niedereffizienzbetriebs gehemmt werden kann.
[Erläuterung von Bezugszahlen]

11 BRENNSTOFFZELLE; 12 LUFTKOMPRESSOR; 13 MOTOR; 14 LUFTDURCHSATZMESSER; 15 UMGEHUNGSVENTIL; 16 LUFTANSAUGLEITUNG; 17 LUFTZUFUHRLEITUNG; 18 LUFTABFUHRLEITUNG; 19 UMGEHUNGSLEITUNG; 20 ABLUFTLEITUNG; 21 WASSERSTOFFGASTANK; 22 WASSERSTOFF-ZUFUHRLEITUNG; 23 WASSERSTOFFPUMPE; 24 WASSERSTOFF-AUSLASSLEITUNG; 25 WASSERSTOFF-UMWÄLZLEITUNG; 26 WASSERSTOFF-ABFUHRLEITUNG; 27 ATMOSPHÄREN-AUSFUHRÖFFNUNG; 28 WASSERSTOFF-ABFUHRVENTIL; 29 SPANNUNGSSENSOR; 30 STROMSENSOR; 31 TEMPERATURSENSOR; 32 VERBRAUCHER; 50 STEUEREINRICHTUNG; 100 BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Leistung anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen Oxidationsgas, das zu einem Oxidationsgas-Strömungsweg geliefert wird, und Brenngas, das zu einem Brenngas-Strömungsweg geliefert wird, erzeugt; und eine Steuereinrichtung, die eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, und eine Spannung der Brennstoffzelle anpasst, wobei die Steuereinrichtung eine Verengungsgrad-Bestimmungseinheit aufweist, die einen Grad einer Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis eines stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsgases und der Spannung der Brennstoffzelle während eines Niedereffizienzbetriebs bestimmt, in dem das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases niedriger ist als ein während eines Normalbetriebs vorliegendes stöchiometrisches Verhältnis des Oxidationsgases, und eine Wärmeabgabe von der Brennstoffzelle gegenüber dem Normalbetrieb zunimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis eines Spannungsunterschieds zwischen einer Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Betriebsspannung der Brennstoffzelle bestimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Temperatursensor, der eine Temperatur der Brennstoffzelle ermittelt; einen Spannungssensor, der die Spannung der Brennstoffzelle ermittelt; einen Stromsensor, der einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle ermittelt; und eine Strömungsraten-Ermittlungseinheit, die eine Strömungsrate des Oxidationsgases ermittelt, wobei die Steuereinrichtung ferner aufweist: eine Einheit zur Berechnung einer Strom-Spannungs-Bezugskennzahl, die eine Strom-Spannungs-Bezugskennzahl der Brennstoffzelle auf Basis der Temperatur der Brennstoffzelle, die vom Temperatursensor ermittelt wird, berechnet; eine Einheit zur Berechnung eines stöchiometrischen Verhältnisses, die das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases auf Basis der Strömungsrate des Oxidationsgases, die von der Strömungsraten-Ermittlungseinheit ermittelt wird, berechnet; und eine Einheit zur Berechnung einer Oxidationsmittelkonzentrations-bedingten Überspannung, die eine Bezugsspannung, die dem vom Stromsensor ermittelten Betriebsstrom der Brennstoffzelle entspricht, auf Basis der errechneten Strom-Spannungs-Bezugskennzahl berechnet und eine Oxidationsmittelkonzentrationsbedingte Überspannung durch Subtrahieren der Betriebsspannung der Brennstoffzelle, die vom Spannungssensor ermittelt wird, von der errechneten Bezugsspannung berechnet, und wobei die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis des stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsgases und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung bestimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs auf Basis eines Spannungsunterschieds zwischen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zur Berechnung der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, bestimmt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung ferner eine Einheit zum Ausblasen des Oxidationsgas-Strömungswegs aufweist, die, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Betriebsspannung der Brennstoffzelle größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, einen Blasbetrieb durchführt, in dem die Strömungsrate des Oxidationsgases erhöht wird, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle derart erhöht wurde, dass sie von einem Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad in einen Normalbetrieb übergeht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung ferner eine Einheit zum Ausblasen des Oxidationsgas-Strömungswegs aufweist, die, wenn der Spannungsunterschied zwischen der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zur Berechnung der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, einen Blasbetrieb durchführt, in dem die Strömungsrate des Oxidationsgases erhöht wird, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle derart erhöht wurde, dass sie von einem Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad in einen Normalbetrieb übergeht.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei das Oxidationsgas Luft ist; das Brenngas Wasserstoff ist; und die Steuereinrichtung ferner aufweist: eine Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit, die auf Basis des Spannungsunterschieds zwischen der Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Betriebsspannung der Brennstoffzelle eine Pumpwasserstoffmenge von einer theoretischen Pumpwasserstoffmenge auf eine korrigierte Pumpwasserstoffmenge erhöht; eine Einheit zur Berechnung einer notwendigen Luftströmungsrate, die eine zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate auf Basis der korrigierten Pumpwasserstoffmenge, die von der Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit korrigiert wird, berechnet; und eine Luftströmungsraten-Erhöhungseinheit, die die Luftströmungsrate auf die zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate erhöht, die von der Einheit zur Berechnung einer notwendigen Luftströmungsrate berechnet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Oxidationsgas Luft ist; das Brenngas Wasserstoff ist; und die Steuereinrichtung ferner aufweist: eine Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit, die eine Pumpwasserstoffmenge auf Basis des Spannungsunterschieds zwischen der Oxidationsgaskonzentrationsbedingten Bezugsüberspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, und der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung, die von der Einheit zur Berechnung der Oxidationsgaskonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, von einer theoretischen Pumpwasserstoffmenge auf eine korrigierte Pumpwasserstoffmenge erhöht; eine Einheit zur Berechnung einer notwendigen Luftströmungsrate, die eine zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate auf Basis der korrigierten Mengen an Pumpwasserstoff, die von der Pumpwasserstoffmengen-Korrektureinheit korrigiert wird, berechnet; und eine Luftströmungsraten-Erhöhungseinheit, die die Luftströmungsrate auf eine zur Verdünnung notwendige Luftströmungsrate erhöht, die von der Einheit zur Berechnung einer notwendigen Luftströmungsrate berechnet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs gemäß dem Grad der Erhöhung der Betriebsspannung der Brennistoffzelle im Vergleich zur Spannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, bestimmt, wenn das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases unter 1,0 liegt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die Verengungsgrad-Bestimmungseinheit den Grad der Verengung des Oxidationsgas-Strömungswegs gemäß dem Grad der Senkung der Oxidationsmittelkonzentrations-bedingten, die von der Einheit zur Berechnung der Oxidationsmittelkonzentrations-bedingten Überspannung berechnet wird, im Vergleich zur Oxidationsmittelkonzentrations-bedingten Überspannung der Brennstoffzelle zu normalen Zeiten, die dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsgases entspricht, wenn das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsgases unter 1,0 liegt, bestimmt.