DE112009005162T5

DE112009005162T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009005162T5
Application number: DE112009005162T
Authority: DE
Inventors: Hiromi Tanaka; Yoshiaki Naganuma; Osamu Yumita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2012-07-05
Anticipated expiration: 2029-08-22
Also published as: DE112009005162B8; DE112009005162T8; US20120141898A1; WO2011021301A1; JP5170257B2; CN102484265B; DE112009005162B4; CN102484265A; JPWO2011021301A1; US8691461B2

Abstract

Wenn der Betrieb einer Brennstoffzelle unterhalb des Gefrierpunkts gestartet wird, passt ein Brennstoffzellensystem den Öffnungswinkel eines Wasserstoff-Druckanpassungsventils an, führt Wasserstoff zu einem Wasserstoff-Eintritt der Brennstoffzelle ein, so dass der Gesamtdruck des Wasserstoff-Eintritts ein erster Druck ist, und startet eine Wasserstoff-Zirkulationspumpe. Falls wenigstens eine der Zr erlangt werden, unterhalb einer vorbestimmten Spannung ist, ermittelt das System, dass eine Verstopfung in einem Wasserstoff-Strömungskanal in der Brennstoffzelle verursacht ist, Wenn ermittelt ist, dass eine Verstopfung vorliegt, wird der Öffnungswinkel des Druckanpassungsventils angepasst und Wasserstoff zu dem Wasserstoff-Eintritt eingeführt, so dass der Gesamtdruck des Wasserstoff-Eintritts ein zweiter Druck ist, welcher höher als der erste Druck ist. Dann wird die Wasserstoff-Zirkulationspumpe angehalten und die Brennstoffzelle wird erwärmt, um die Verstopfung des Wasserstoff-Strömungskanals aufzulösen. Dadurch ist es möglich, eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle zu unterdrücken nach einem Betriebsstart unterhalb des Gefrierpunkts.

Description

[TECHNISCHES GEBIET]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Inbetriebnahme-Steuerung eines Brennstoffzellensystems.
[STAND DER TECHNIK]
Brennstoffzellensysteme verwenden in vielen Fällen Brennstoffzellen, bei denen eine Elektrolytmembran zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Oxidationsmittelelektrode eingelegt ist; und an der Oxidationsmittelelektrode zur gleichen Zeit Wasser erzeugt wird, wie elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, welcher der Brennstoffelektrode zugeführt wird, und Sauerstoff in der Luft, welcher der Oxidationsmittelelektrode zugeführt wird, erzeugt wird.
Bei derartigen Brennstoffzellen kann eine vorbestimmte Spannung und elektrischer Strom im Betrieb bei einer Temperatur niedriger als eine normale Betriebstemperatur nicht ausgegeben werden. Darüber hinaus wird in vielen Fällen, wenn bei einer Temperatur, welche unter den Gefrierpunkt sinkt, Gefrieren während einer Nichtbetriebsphase auftritt, ein Erwärmungsvorgang nach einer Inbetriebnahme durchgeführt, bis eine normale Betriebstemperatur erreicht ist. Als ein Verfahren des Erwärmungsvorgangs wird ein Betrieb mit niedriger Effizienz durchgeführt, bei dem eine Menge an Luft, die einer Brennstoffzelle zugeführt wird, reduziert wird, um die Brennstoffzelle unter Verwendung des gestiegenen Wärmeverlusts zu erwärmen.
Bei solch einem Erwärmungsvorgang besteht ein Risiko, das ein Katalysator durch Kohlenstoffoxidation verloren geht oder eine Membran aufgrund der erzeugten Wärme beschädigt wird, wenn die Menge an Wasserstoff, die einer Brennstoffzelle zugeführt wird, unzureichend wird. Wenn solch ein Mangel an Wasserstoff in einer Brennstoffzelle auftritt, wird die Spannung der Brennstoffzelle negativ. Daher wurde vorgeschlagen, dass der Erwärmungsvorgang verhindert wird, oder ein Ausgang der Brennstoffzelle beschränkt wird, wenn die Spannung aufgrund eines Mangels an Wasserstoffgas während eines Erwärmungsvorgangs der Brennstoffzelle negativ wird (beispielweise Verweis auf Patentdokument 1).
Es wurde ebenso vorgeschlagen, dass, wenn eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von Einheitszellen aufweist, bei einer niedrigen Temperatur in Betrieb genommen wird, durch Vorsehen eines Zell-Stöchiometrie-Verhältnis-Rechners zum Berechnen eines Stöchiometrieverhältnisses eines bestimmten Gases, und einer Gasmengen-Erhöhungseinheit zum Erhöhen einer Zuführmenge des bestimmten Gases, wenn das gewonnene Stöchiometrieverhältnis kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, mit jeder der Einheitszellen, eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle aufgrund eines Mangels an Gas unterdrückt wird, und die Erwärmung der Brennstoffzelle in einer kurzen Zeitphase durchgeführt wird, selbst wenn ein Gas-Strömungskanal aufgrund von Gefrieren verstopft ist (beispielsweise Verweis auf Patentdokument 2).
Ferner wurde ein Verfahren zum Ausblasen eines Kondensats in einem Gas-Strömungskanal durch partielles Rückführen von Anodenabgas durch eine Anodenabgas-Rückführleitung vorgeschlagen, wenn die Brenngasströmungsmenge, die einer Brennstoffzelle zugeführt wird, klein ist, und ein Gas-Strömungskanal an einer Anodenseite aufgrund des Kondensats verstopft ist (beispielweise Verweis auf Patentdokument 3).
Darüber hinaus wurde unter Verwendung davon, dass eine Leistungserzeugungseffizienz reduziert wird, wenn ein Zuführdruck von Wasserstoffgas zu einer Brennstoffzelle abgesenkt wird, ein weiteres Verfahren zum Durchführen eines Erwärmungsvorgangs einer Brennstoffzelle, durch Absenken eines Zuführdrucks von Wasserstoffgas zu einer Brennstoffzelle bei einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle, im Gegensatz zu einem normalen Betrieb, vorgeschlagen (beispielweise Verweis auf Patentdokument 4).
[DOKUMENTE DES STANDES DER TECHNIK]
[Patentdokumente]

Patentdokument 1: JP 2008-198439A
Patentdokument 2: JP 2007-184202A
Patentdokument 3: JP 2006-134680A
Patentdokument 4: JP 2002-313388A

[OFFENBARUNG DER ERFINDUNG]
[Von der Erfindung zu lösende Aufgaben]
In Brennstoffzellen wird eine beständige Leistungserzeugung durch Zuführen einer größeren Menge an Wasserstoff als für die Leistungserzeugung benötigt wird, ermöglicht. Dadurch reagiert nicht sämtliches Wasserstoffgas, das einer Brennstoffzelle zugeführt wird, um elektrische Ausgänge bzw. Ausgangsleistungen darzustellen, sondern einige Teile des Wasserstoffgases werden von einem Wasserstoffgas-Auslass der Brennstoffzelle als nicht reagiertes Gas zusammen mit Stickstoff oder anderem Gas in dem System abgegeben, und durch eine Wasserstoffgas-Zirkulationspumpe in einen Wasserstoffgas-Einlass zurückgeführt. In vielen Fällen ist die Vorrichtung derart gestaltet, dass, wenn der Stickstoff oder anderes Gas in dem Wasserstoffsystem während dem Betrieb beginnt verdichtet zu werden, ein Wasserstoffpartialdruck, welcher zur Leistungserzeugung benötigt wird, durch Abgeben des unreagierten Gases von dem Wasserstoffsystem nach außen an die Luft, erzielt wird, um den Stickstoffpartialdruck zu senken, Folglich enthält das Gas, welches von dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle zugeführt wird, Wasserstoffgas und Stickstoffgas. Es besteht ein Risiko, dass restliche Feuchtigkeit in dem Wasserstoffgassystem gefrieren kann, wenn die Brennstoffzelle unterhalb des Gefrierpunkts nicht in Betrieb ist, was eine Teilverstopfung in einem Wasserstoffgas-Strömungskanal hervorruft. Falls das Wasserstoffsystem als ein Rückführsystem ausgelegt ist, strömt ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff in den verstopften Strömungskanal. Da Stickstoffgas von dem verstopften Strömungskanal nicht abgegeben werden kann, während Wasserstoff für die Leistungserzeugung verbraucht wird, wird Stickstoff in dem verstopften Strömungskanal angesammelt und verdichtet. Daher besteht ein Problem, dass der Partialdruck des Stickstoffs in einem verstopften Wasserstoff-Strömungskanal rasch ansteigt, was bewirkt, dass die Leistungserzeugungs-Spannung der verstopften Zelle eine negative Spannung ist.
Da solch eine negative Spannung, welche durch die Ansammlung von Stickstoff in einem Wasserstoffgas-Strömungskanal hervorgerufen wird, unmittelbar nach einem Start der Leistungserzeugung durch eine Brennstoffzelle auftritt, besitzen die in den Patentdokumenten 1 und 2 beschriebenen herkömmlichen Technologien ein Problem, dass sich eine Brennstoffzelle bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunktes verschlechtert, da jede Zelle einen Erwärmungsvorgang bei einer negativen Spannung nach dem Start der Brennstoffzelle durchführen muss.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunktes zu unterdrücken.
[Mittel zum Lösen der Aufgaben]
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffzelle auf, die eine Vielzahl von gestapelten Zellen zum Erzeugen von Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brennstoffgas und Oxidationsgas enthält; ein Druckanpassungsventil zum Anpassen eines Gasdruckes an dem Brenngas-Einlass, welches zwischen einem Brennstofftank und einem Brenngas-Einlass der Brennstoffzelle angeordnet ist; eine Gas-Zirkulationspumpe, die das reagierte Brenngas von einem Brenngas-Auslass der Brennstoffzelle zu dem Brenngas-Einlass umwälzt; eine Zellspannungs-Erlangungseinheit bzw. -Erfassungseinheit, die eine Spannung von jeder der Zellen erlangt; und eine Steuerung, die eine Inbetriebnahme und ein Anhalten der Gas-Zirkulationspumpe durchführt, und einen Öffnungswinkel des Druckanpassungsventils anpasst. Die Steuerung weist eine Verstopfungs-Ermittlungseinheit auf, die bei einem Start der Brennstoffzelle das Brenngas in den Brenngas-Einlass einführt, während diese den Öffnungswinkel des Druckanpassungsventils anpasst, um den Gasdruck an dem Brenngas-Einlass derart zu steuern, dass dieser ein erster Druck ist, die Brenngas-Zirkulationspumpe startet, und ermittelt, dass eine Verstopfung in einem Brenngas-Strömungskanal innerhalb der Brennstoffzelle vorliegt, wenn wenigstens eine Spannung von jeder der Zellen, die durch die Zellspannungs-Erlangungseinheit bzw. -Erfassungseinheit erlangt wird, kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung; und eine Verstopfungs-Beseitigungseinheit, welche die Verstopfung des Brenngas-Strömungskanals durch Anpassen des Öffnungswinkels des Druckanpassungsventils, Einführen des Brenngases in den Brenngas-Einlass, um den Gasdruck an dem Brenngas-Einlass derart zu steuern, dass dieser ein zweiter Druck ist, welcher höher als der erste Druck ist, und Anhalten der Brenngas-Zirkulationspumpe entfernt, wenn die Verstopfungs-Ermittlungseinheit ermittelt hat, dass die Verstopfung in dem Brenngas-Strömungskanal vorliegt.
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Verstopfungs-Beseitigungseinheit, nach dem Absenken eines elektrischen Ausgangsstromes, der von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, bis die negative Spannung von jeder der Zellen entfernt ist, den elektrischen Ausgangsstrom erhöhen, so dass dieser ein vorbestimmter elektrischer Strom ist.
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Brennstoffzellensystem ferner eine Erfassungs- bzw. Erlangungseinheit zur Dichtverteilung eines elektrischen Zellenstroms umfassen, die eine Dichteverteilung eines elektrischen Stroms von jeder der Zellen wahrnimmt. Die Verstopfungs-Ermittlungseinheit kann ermitteln, dass die Verstopfung in dem Brenngas-Strömungskanal vorliegt, wenn die Dichteverteilung des elektrischen Stroms von jeder der Zellen, die durch die Erlangungseinheit zur Dichteverteilung eines elektrischen Zellenstroms erlangt wird, ein Ungleichgewicht zeigt, das größer als eine Schwelle ist. Die Erlangungseinheit zur Dichteverteilung eines elektrischen Zellenstroms kann ein Paar von Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom sein, die jeweils an einer Brenngas-Stromaufwärtsseite und einer Brenngas-Stromabwärtsseite von jeder der Zellen angeordnet sind. Es kann ermittelt werden, dass die Verstopfung vorliegt, wenn eine Differenz zwischen einer elektrischen Stromdichte, die durch den Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, der an der Brenngas-Stromaufwärtsseite angeordnet ist, von jedem Paar der Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, wahrgenommen wird, und einer elektrischen Stromdichte, die durch den Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, der an der Brenngas-Stromabwärtsseite angeordnet ist, wahrgenommen wird, größer als der Schwellenwert ist.
[Effekte der Erfindung]
Die vorliegende Erfindung schafft einen Vorteil, dass eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunktes unterdrückt werden kann.
[KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN]
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Inbetriebnahme-Ablauf eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Zeitdiagramm, das eine Zellspannung, einen Gesamtdruck an einem Wasserstoff-Einlass, einen elektrischen Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle und einen Betrieb einer Wasserstoff-Zirkulationspumpe beim einer Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Graph, der Merkmale von elektrischem Strom und Spannung einer Brennstoffzelle bei einem Erwärmungsvorgang zeigt.
5 ist ein Diagramm, das einen Partialdruck von Wasserstoff und Stickstoff in einer Zelle, wenn der Gesamtdruck an einem Wasserstoff-Einlass zu einem ersten Druck erhöht wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das einen Partialdruck von Wasserstoff und Stickstoff in einer Zelle, nachdem ein Vorgang mit einem Gesamtdruck an einem Wasserstoff-Einlass, der ein erster Druck ist, durchgeführt wird, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein Diagramm, das einen Partialdruck von Wasserstoff und Stickstoff in einer Zelle mit einem Gesamtdruck an einem Wasserstoff-Einlass, der zu einem zweiten Druck erhöht wird, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, darstellt.
8 ist ein Diagramm, das einen Partialdruck von Wasserstoff und Stickstoff in einer Zelle, nach einem Entfernen einer Verstopfung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein Graph, der eine Veränderung einer elektrischen Stromdichte einer Zelle bei einer Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Inbetriebnahme-Ablauf eines Brennstoffzellensystems gemäß eines Referenzbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Diagramm, das einen Partialdruck von Wasserstoff und Stickstoff in einer Zelle mit einem Gesamtdruck an einem Wasserstoff-Einlass, der zu einem vierten Druck erhöht wird, in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist ein beispielhaftes Diagramm, das eine Sättigung von Wasserstoffgas in einer Diffusionsschicht bei einem Referenzbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
[BEZUGSZEICHEN]

10 Zelle, 11 Brennstoffzelle, 12 Luftkompressor, 13, 30 Motor, 14 Luft-Strömungsmesser, 15 Luftdruck-Anpassungsventil, 16 Luft-Einlassleitung, 17 Luft-Zuführleitung, 18 Luft-Abgabeleitung, 19 Bypassleitung, 19a Bypassventil, 20 Abgasleitung, 21 Wasserstoff-Gastank, 22 Wasserstoff-Zuführleitung, 23 Wasserstoff-Einlassleitung, 24 Wasserstoff-Auslassleitung, 25 Wasserstoff-Rückführleitung, 26 Wasserstoff-Abgasleitung, 27 Wasserstoff-Druckanpassungsventil, 28 Wasserstoff-Abgasventil, 29 Wasserstoff-Zirkulationspumpe, 31 Auslass zum Abgeben an die Luft, 32 Last bzw. Verbraucher, 33, 34 Drucksensor, 35 Sensor für den elektrischen Strom, 36 Spannungssensor, 37, 40 Temperatursensor, 38 Zell-Spannungsmesser, 39 Paar von Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, 39a, 39b Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, 50 Steuerung, 61 bis 64 Wasserstoff-Strömungskanal, 65, 66 Gasgemisch, 71 Elektrolytmembran, 72 Katalysator, 73 Diffusionsschicht, 74 Wasserstoff-Strömungskanal, 75 Eiskörner, 76 Eispartikel, 100 Brennstoffzellensystem.

[BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG]
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend mit Bezug zu den beigefügten Abbildungen beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, sind in einer Brennstoffzelle 11 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Zellen 10 gestapelt, welche Luft mit Sauerstoff als Oxidationsgas, und Wasserstoff als Brenngas verwenden.
Die als Oxidationsgas verwendete Luft wird von der Atmosphäre durch eine Luft-Einlassleitung 16 über einen Luft-Strömungsmesser 14 zu einem Luftkompressor 12 gebracht. Nachdem durch den Luftkompressor 12 ein Druck aufgebracht wird, wird die Luft entlassen und von einer Luft-Zuführleitung 17 in die Brennstoffzelle 11 geführt. Die Luft-Einlassleitung 16 ist mit einem Temperatursensor 40 zum Messen der Temperatur der Einlassluft vorgesehen. Da die Luft, welche in die Brennstoffzelle 11 gebracht wird, in einem Luftströmungskanal, der innerhalb der Brennstoffzelle 11 angeordnet ist, hindurchströmt, während die Luft mit Wasserstoff, welcher von einem Wasserstoffsystem zugeführt wird, reagiert, nimmt die Menge an Sauerstoff in der Luft ab. Dann nimmt die Menge an Wasser in dem Luftströmungskanal, das infolge der Reaktion erzeugt wird, als Wasserdampf oder Tröpfchen, zu. Solch reagierte Luft, die eine erhöhte Menge an Wasser enthält, wird von dem Luft-Strömungskanal innerhalb der Brennstoffzelle 11 zu der Luft-Abgasleitung bzw. Luft-Abgabeleitung 18 abgegeben. Die Luft-Abgabeleitung 18 ist mit einem Luftdruck-Anpassungsventil 15 zum Anpassen des Luftdrucks in dem Luft-Strömungskanal innerhalb der Brennstoffzelle 11 vorgesehen. Die Luft-Zuführleitung 17 ist mit einem Drucksensor 33 zum Messen eines Luftdruckes vorgesehen. Ferner ist eine Bypassleitung 19 derart vorgesehen, dass ein Teil der Einlassluft nicht zu der Brennstoffzelle 11 geführt wird, sondern in die Luft-Abgabeleitung 18, die an einer stromabwärtigen Seite des Luftdruck-Anpassungsventils 15 angeordnet ist, geleitet wird. Die Bypassleitung 19 ist mit einem Bypassventil 19a, welches eine Strömungsmenge von umgeleiteter Luft anpasst, vorgesehen. Die Luft-Abgabeleitung 18 und Bypassleitung 19 sind zusammengeschlossen und mit der Abgasleitung bzw. Abgabeleitung 20 verbunden. Die Luft, welche in die Abgabeleitung 20 geflossen ist, wird von einem Auslass 31 zum Abgeben an die Luft an die Luft abgegeben. Die Menge des Luftstroms, welcher in das Brennstoffzellensystem 100 eintritt, wird durch Anpassen der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 13 des Luftkompressors 12 angepasst.
Das Wasserstoffgas, welches als Brenngas verwendet werden soll, wird in einem Wasserstoff-Gastank 21 gespeichert. Wasserstoff wird von dem Wasserstoff-Gastank 21 durch eine Wasserstoff-Zuführleitung 22 und Wasserstoff-Einlassleitung 23, und dann zu einem Wasserstoff-Strömungskanal, der innerhalb der Brennstoffzelle 11 angeordnet ist, geführt. Ein Teil des Wasserstoffs, welcher in den Wasserstoff-Strömungskanal der Brennstoffzelle 11 eingetreten ist, wird zum Erzeugen der Leistung verbraucht, während der unverbrauchte Wasserstoff von dem Wasserstoff-Strömungskanal innerhalb der Brennstoffzelle 11 zu einer Wasserstoff-Auslassleitung 24 abgegeben wird. Das reagierte Wasserstoffgas und anderes Gas, welche zu der Wasserstoff-Auslassleitung 24 abgegeben wurden, werden zu der Wasserstoff-Einlassleitung 23 rockgeführt, nachdem diese durch eine Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, welche mit einer Wasserstoff-Rückführleitung 25 vorgesehen ist, unter Druck gesetzt wurden. Die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 wird durch einen Motor 30 angetrieben. Wenn die Konzentration von Wasserstoff abnimmt, da der Wasserstoff zum Erzeugen von Leistung verbraucht wird, was in einer Zunahme der Menge an Verunreinigungen, wie Stickstoff, resultiert, wird das Wasserstoff-Abgabeventil bzw. -Abgasventil 28 geöffnet, um das reagierte Wasserstoffgas durch die Wasserstoff-Abgabeleitung bzw. -Abgasleitung 26 zu der Abgabeleitung bzw. Abgasleitung 20 abzugeben. Dann wird der Wasserstoff von dem Auslass 31 zum Abgeben an die Luft an die Luft entlassen, nachdem dieser durch entlassene Luft verdünnt wurde. Die Wasserstoff-Zuführleitung 22 ist mit einem Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 zum Anpassen des Drucks von wasserstoffhaltigen Gas der Brennstoffzelle 11 vorgesehen. Die Wasserstoff-Einlassleitung 23 ist mit einem Drucksensor 34 zum Messen eines Gesamtdruckes von Gas an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11 vorgesehen. Der Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11 wird durch das Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 angepasst.
Zusammen mit einer Last bzw. einem Verbraucher 32, der mit der Brennstoffzelle 11 verbunden ist, ist die Brennstoffzelle 11 mit einem Spannungssensor 36 zum Messen einer Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle 11 zu dem Verbraucher 32, und einem Sensor 35 für elektrischen Strom zum Messen eines elektrischen Ausgangsstromes vorgesehen. Die Brennstoffzelle 11 ist ferner mit einem Temperatursensor 37 zum Messen einer Temperatur der Brennstoffzelle 11; Sensorstreifen 39a, 39b für den elektrischen Teilstrom, die jeweils an der stromaufwärtigen Seite und stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Strömungskanals in jeder Zelle 10 vorgesehen sind; und einem Zell-Spannungsmesser 38 zum Messen einer Spannung von jeder Zelle 10 vorgesehen. Ein Paar der Sensorstreifen 39a, 39b für den elektrischen Teilstrom, die jeweils an der stromaufwärtigen Seite und stromabwärtigen Seite von jeder Zelle 10 vorgesehen sind, bilden ein Paar von Sensorstreifen 39 für den elektrischen Teilstrom. Eine Steuerung 50 ist mit einem Motor 13 eines Luftkompressors 12, einem Luftdruck-Anpassungsventil 15, einem Bypassventil 19a, einem Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27, einem Motor 30 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, einem Wasserstoff-Abgabeventil 28 und dem Verbraucher 32, welche derart konfiguriert sind, um gemäß Anweisungen von der Steuerung 50 zu arbeiten, verbunden. Die Steuerung 50 ist ferner mit einem Luft-Strömungsmesser 14, Drucksensoren 33, 34, einem Spannungssensor 36, einem Sensor 35 für elektrischen Strom, Temperatursensoren 37, 40, einem Zellspannungsmesser 38 und Sensorstreifen 39a, 39b für den elektrischen Teilstrom, welche derart konfiguriert sind, um in der Lage zu sein, jedes der empfangenen Signale in die Steuerung 50 einzugeben, verbunden.. Die Steuerung 50 umfasst intern eine CPU zur Signalbearbeitung, ein Steuerprogramm, und einen Speicher zum Speichern der Steuerung oder anderer Daten. Es ist anzumerken, dass die Strichpunktlinien in 1 Signalleitungen zeigen.
Die Vorgänge des Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mit Bezug zu 2 bis 8 beschrieben. Wie in Schritt S101 in 2 gezeigt ist, gewinnt die Steuerung 50 die Lufttemperatur durch den Temperatursensor 40, wenn das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb genommen wird. Dann führt das Brennstoffzellensystem 100, wie in Schritt S102 gezeigt, wenn die gewonnene Lufttemperatur unter dem Gefrierpunkt ist, einen Niedrigtemperatur-Inbetriebnahme durch, bei welcher die Brennstoffzelle 11 in Betrieb genommen wird, während ein Erwärmungsvorgang durchgeführt wird. Andererseits führt das Brennstoffzellensystem 100 eine normale Inbetriebnahme durch, bei welcher die Brennstoffzelle 11 ohne das Durchführen des Erwärmungsvorganges in Betrieb genommen wird, wie in Schritt S118 in 2 gezeigt ist, wenn die Lufttemperatur, welche durch den Temperatursensor 40 gewonnen wird, oberhalb des Gefrierpunktes ist.
Wenn in Schritt S102 in 2 ermittelt wird, dass sich die Lufttemperatur unterhalb des Gefrierpunkts befindet, nimmt die Steuerung 50 zu einem Zeitpunkt t₁ in 3 den Luftkompressor 12 durch Antreiben des Motors 13 des Luftkompressors 12, wie in Schritt S103 in 2 gezeigt ist, in Betrieb; nimmt die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 durch Antreiben des Motors 30 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, wie in Schritt S104 in 2 gezeigt ist, in Betrieb; und passt den Öffnungswinkel des Wasserstoff-Druckanpassungsventils 27 derart an, dass der Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11, welcher durch den Drucksensor 34 gewonnen wird, ein Gesamtdruck P_IT wird. Daher beginnt, wie in 3 gezeigt ist, eine Zellspannung V_C der Zelle 10 vom Zeitpunkt t₁ an anzusteigen, wenn der Wasserstoff und Luft in die Brennstoffzelle 11 eingespritzt werden.
Um einen Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 durchzuführen, wird die Menge an zugeführter Luft zu der Brennstoffzelle 11 gegenüber der Menge an Luft bei einem normalen Betrieb derart reduziert, dass die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 mit niedrigerer Effizienz durchgeführt wird, um den Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 durch die Verwendung von Verlustwärme von der Brennstoffzelle 11 durchzuführen. Daher zeigt, wie in 4 gezeigt ist, die elektrische Strom-Spannungs-Charakteristik der Brennstoffzelle 11 einen Gradienten wie die durchgehende Linie „b”, die steiler ist als die unterbrochene Linie „a”, welche die elektrische Strom-Spannungs-Charakteristik bei einem normalen Betrieb zeigt, wenn der Betrag der Luftströmung, der in die Brennstoffzelle 11 geführt wird, gegenüber dem Betrag bei einem Normalbetrieb reduziert wird. Daher verändert sich die Ausgangsspannung und der elektrische Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 entlang der Linie „b”, wenn der Betrag der Luftströmung unverändert auf dem niedrigen Niveau aufrechterhalten wird. Zusammen mit der Spannung bei V₄ wird der elektrische Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 zu Null.
Da die Steuerung 50 die Brennstoffzelle 11 zum Zeitpunkt t₁ in Betrieb nimmt, während die Spannung des Verbrauchers 32 auf V₀ aufrechterhalten wird, und den Betrag der Luftströmung reduziert, so dass die elektrische Strom-Spannungs-Charakteristik der Brennstoffzelle 11 die Linie „b” in 4 zeigt, steigt die Zellspannung V_C von jeder Zelle 10 der Brennstoffzelle 11 auf V_0C in 3 an. Der elektrische Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 ist Null. Nach Bestätigen, dass die Zellspannung V_C von jeder Zelle 10 oberhalb einer vorbestimmten Spannung ist, senkt die Steuerung 50 die Ausgangsspannung V der Brennstoffzelle 11 durch Absenken der Spannung des Verbrauchers 32 zum Zeitpunkt t₂, gezeigt in 3. Dann verändert sich der Betriebszustand der Brennstoffzelle 11 entlang der Linie „b” in 4, so dass der elektrische Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 allmählich zunimmt, während die Ausgangsspannung V der Brennstoffzelle 11 von V₀ weg abnimmt. Wie in 4 gezeigt ist, senkt die Steuerung 50 die Ausgangsspannung V auf V₁ ab, so dass der elektrische Ausgangsstrom I der Brennstoffzelle 11 zu I₁ wird. Wie in Schritt S106 in 2 gezeigt ist, wird der elektrische Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 zu I₁.
5 ist eine schematische Darstellung, welche die Wasserstoffelektroden zeigt, wenn Wasserstoff bei einem Start des Betriebs in die Brennstoffzelle 11 eingespritzt wird. Vor der Einspritzung von Wasserstoff ist Stickstoff innerhalb jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 bei einem Partialdruck P_ON, beispielweise 50 kPa, was leicht unterhalb des Partialdrucks von Stickstoff in der Luft (80 kPa) ist, erhalten. Wasserstoff wird in die Wasserstoff-Einlassleitung 23 von der Wasserstoffzuführleitung 22 eingespritzt, so dass der Partialdruck von Wasserstoff P_OH in etwa gleich dem Partialdruck P_ON des erhaltenen Stickstoffs, beispielweise etwa 50 kPa, wird. Daher wird das Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 derart angepasst, dass der Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11, welcher durch den Drucksensor 34 wahrgenommen wird, zu „P_T = P_ON + P_OH = Gesamtdruck P_1T” wird. Beispielweise wird, wenn der Partialdruck P_ON des erhaltenen Stickstoffs etwa 50 kPa ist und der Partialdruck von P_OH des unter Druck gesetzten Wasserstoffs in etwa 50 kPa ist, das Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 derart angepasst, dass der Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass zu „P_1T = 50 + 50 = 100 kPa” wird. Der Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass ist ein erster Druck, welcher niedriger ist als der Gesamtdruck P_T (etwa 250 kPa) an dem Wasserstoff-Einlass bei einer normalen Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 11. Es ist anzumerken, dass, obwohl Wasserstoff und Stickstoff in der schematischen Darstellung getrennt voneinander dargestellt sind, der Wasserstoff und Stickstoff in den Wasserstoff-Strömungskanälen 61 bis 64 tatsächlich gemischt sind.
Eine Verstopfung liegt in einem Wasserstoff-Strömungskanal 62 vor, gezeigt in 5, welche Gas daran verhindert, von dem Wasserstoff-Strömungskanal 62 in die Wasserstoff-Auslassleitung 24 zu strömen. Die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 saugt ein Gasgemisch 65 aus Wasserstoff und Stickstoff von den Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 an, und führt das Gasgemisch 65 zu der Wasserstoff-Einlassleitung 23 zurück. Andererseits wird der Wasserstoff, der für die Leistungserzeugung verbraucht werden soll, von der Wasserstoff-Zuführleitung 22 der Wasserstoff-Einlassleitung 23 zugeführt. Ein Gasgemisch 66 aus Wasserstoff und Stickstoff wird jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 zugeführt. Das Gasgemisch 66 aus Wasserstoff und Stickstoff, das jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 zugeführt wird, enthält aufgrund der Menge an Wasserstoff, die von der Wasserstoff-Zuführleitung 22 zugeführt wird, mehr Wasserstoff als das Gasgemisch 65, das durch die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 rückgeführt wird.
Wenn unter solchen Umständen ein elektrischer Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 ausgegeben wird, wird das Gasgemisch 65 mit einem höheren Stickstoffpartialdruck entlassen, da Wasserstoff für die Leistungserzeugung in jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61, 63, 64 verbrauch wird. Andererseits empfängt, wie in 6 gezeigt, der verstopfte Wasserstoff-Strömungskanal 62 das Gasgemisch 66 aus Wasserstoff und Stickstoff von dem Einlass, wegen der Menge an Wasserstoff, die zur Leistungserzeugung verbraucht wurde. Der Stickstoff, welcher in den Wasserstoff-Strömungskanal 62 eingetreten ist, wird zur Leistungserzeugung nicht verbraucht. Ferner fließt der Stickstoff nicht in die Wasserstoff-Auslassleitung 24, da der Wasserstoff-Strömungskanal 62 die Verstopfung aufweist. Daher steigt der Stickstoffpartialdruck rapide von dem ursprünglichen Partialdruck P_ON zu einem Partialdruck P_1N' an, während der Wasserstoffpartialdruck von dem ursprünglichen Partialdruck P_0H zu einem Partialdruck P_1H' rapide abnimmt, wenn Leistungserzeugung gestartet wird. Dies kommt daher, da das Stickstoffgas von den Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 in dem verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 gesammelt und verdichtet wird. Der Wasserstoff- und Stickstoffpartialdruck in den anderen Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 verändert sich im Wesentlichen nicht, so dass der Wasserstoffpartialdruck von dem ursprünglichen Partialdruck P_0H zu einem Partialdruck P leicht abnimmt, während der Stickstoffpartialdruck von dem ursprünglichen Partialdruck P_0N zu einem Partialdruck P_1N leicht zunimmt. Ferner wird der Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass von jedem der Wasserstoff Strömungskanäle 61 bis 64 auf dem ursprünglichen Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass aufrechterhalten. Daher wird, wie vorstehend beschrieben ist, wenn der Wasserstoff mit dem Betrag des Partialdruckes von 50 kPa eingespritzt wird, um den Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass auf 100 kPa zu steuern, der Wasserstoffpartialdruck P_IH' des Wasserstoff-Strömungskanals 62 zu null, während der Stickstoffpartialdruck P_1N' zu 100 kPa wird, was gleich dem Gesamtdruck P_1T ist, falls sämtlicher Wasserstoff in dem verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 zur Leistungserzeugung verbraucht ist. Sowohl der Wasserstoffpartialdruck P_1H als auch der Stickstoffpartialdruck P_1N in den anderen Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 wird auf 50 kPa aufrechterhalten.
Daher nimmt eine Zellspannung V_C der Zelle 10 mit dem Wasserstoff-Strömungskanal 62 allmählich ab und wird schließlich zu einer negativen Spannung, wenn der Wasserstoffpartialdruck des verstopften Wasserstoff-Strömungskanals 62 abnimmt. Solch eine negative Spannung tritt in einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise etwa 10 bis 20 Sekunden nach dem Start des Ausgebens von elektrischem Strom von der Brennstoffzelle 11 auf, da der ursprüngliche Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11 etwa 100 kPa beträgt, was niedriger ist als der Gesamtdruck (250 kPa) an dem Wasserstoff-Einlass bei einer normalen Inbetriebnahme, und außerdem, da der Partialdruck P_ON des erhaltenen Stickstoffs und der Partialdruck des Wasserstoffs in etwa gleich sind.
Wie in Schritt S107 in 2 gezeigt ist, gewinnt die Steuerung 50 jede Zellspannung V_C durch einen Zellspannungsmesser 38, der mit jeder Zelle 10 vorgesehen ist. Wie in Schritt S108 in 2 gezeigt ist, vergleicht die Steuerung 50 die gewonnene Spannung V_C mit einer vorbestimmten Spannung V_2C für diese Ausführungsform. Wenn keine der Zellen 10 eine Zellspannung V_C besitzt, die niedriger ist als die vorbestimmte Spannung V₂, ermittelt die Steuerung 50, ob eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, wie in Schritt S117 in 2 gezeigt, und falls nicht, springt die Steuerung 50 zu Schritt S107 in 2 zurück, um wieder eine Zellspannung V_C von jeder Zelle 10 zu gewinnen und mit der vorbestimmten Spannung V_2C zu vergleichen. Die vorbestimmte Zeit ist eine Zeitphase, welche verstreicht, bevor eine negative Spannung auftritt, beispielsweise etwa 10 bis 20 Sekunden, wie in dem vorstehenden Beispiel gezeigt, oder länger. Da die vorbestimmte Zeit abhängig von einem anfangs aufgebrachten Druck von Wasserstoff ermittelt werden soll, kann die vorbestimmte Zeit variabel sein, welche mit einem höheren Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass zu der Zeit des Aufbringens von Druck auf Wasserstoff länger ist.
Wenn in einer vorbestimmten Zeitphase wenigstens eine Zelle 10 vorliegt, die eine Zellspannung V_C besitzt, die niedriger ist als die vorbestimmte Spannung V_2C ist, senkt die Steuerung 50 den elektrischen Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 zum Zeitpunkt t₃ in 3, wie in Schritt S109 in 2 gezeigt ist. Die Steuerung 50 senkt den elektrischen Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 durch Erhöhen der Spannung des Verbrauchers 32. Dann erhöht die Steuerung 50 die Spannung des Verbrauchers 32 auf V₀, wie in 4 gezeigt. Die Steuerung 50 stellt zur Zeit t₄ in 3 einmal den elektrischen Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 auf Null ein, und Zellspannung V_C auf V_0C. Auf diese Art und Weise erholt sich, wie durch die strichpunktierte Linie „d” in 3 gezeigt ist, die Spannung der verstopften Zelle 10 von einer negativen Spannung hin zu euer positiven Spannung. Es ist anzumerken, dass der elektrische Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 ein elektrischer Strom sein kann, der größer als Null ist, solange sich die Spannung der verstopften Zelle 10 von euer negativen Spannung zu einer positiven Spannung erholen kann.
In etwa zur gleichen Zeit, wie das Absenken des elektrischen Ausgangsstroms I von der Brennstoffzelle 11 beginnt, füllt die Steuerung 50 die Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 durch Anpassen des Wasserstoff-Druckanpassungsventils 27 mit Wasserstoff, um den Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass auf einen Gesamtdruck P_2T zu erhöhen, welcher höher als der anfängliche Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass ist, wie in Schritt S110 in 2 gezeigt ist. Der Gesamtdruck P_2T ist ein zweiter Druck. Wie in 7 gezeigt ist, steigt der Wasserstoffpartialdruck der nicht verstopften Wasserstoff-Strömungskanäle 61, 63, 64 von dem Partialdruck P_1H, welcher der Partialdruck vor dem Aufbringen des Drucks ist, auf P_2H an, während der Wasserstoffpartialdruck des verstopften Wasserstoff-Strömungskanals 62 von dem Partialdruck P_1H', welcher der Partialdruck vor dem Aufbringen des Druckes ist, auf P_2H' ansteigt. Hingegen verändert sich der Stickstoffpartialdruck von jedem Wasserstoff-Strömungskanal 61 bis 64 nicht. Der Stickstoffpartialdruck der nicht verstopften Wasserstoff-Strömungskanäle 61, 63, 64 bleibt auf P_1N, während der Stickstoffpartialdruck des verstopften Wasserstoff-Strömungskanals 62 auf P_1N' verbleibt. Der Gesamtdruck P_2T an dem Wasserstoff-Einlass kann der gleiche Gesamtdruck sein, wie für eine normale Inbetriebnahme, beispielweise 250 kPa. In diesem Fall wird, wie in dem vorstehenden Beispiel beschrieben, nachdem der Wasserstoff mit dem Betrag des Partialdruckes von 50 kPa eingespritzt wird, um den Gesamtdruck P_1T an dem Wasserstoff-Einlass auf 100 kPa zu steuern, falls sämtlicher Wasserstoff in dem verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 zur Leistungserzeugung verbraucht ist und der Wasserstoffpartialdruck P_1H' zu Null wird, während der Stickstoffpartialdruck P_1N' zu 100 kPa wird, der Wasserstoffpartialdruck P_2H' des Wasserstoff-Strömungskanals 62 nach dem Aufbringen des Drucks zu „250 – 100 = 150 kPa”, während, nach dem Aufbringen des Drucks, der Partialdruck P_2H von Wasserstoff der Wasserstoff-Strömungskanäle 61, 63, 64, in welchen der Stickstoffpartialdruck P_1N auf 50 kPa aufrechterhalten wird, zu „250 – 50 = 200 kPa” wird. Dadurch kann durch das Erhöhen des Gesamtdrucks P_T an dem Wasserstoff-Einlass zu dem Gesamtdruck P_2T, durch Einspritzen von Wasserstoff, der Wasserstoffpartialdruck P_1H' des Wasserstoff-Strömungskanals 62, der aufgrund einer Verstopfung auf beinahe Null gesunken ist, auf ein Niveau erhöht werden, bei welchem eine Leistungserzeugung möglich ist. Dadurch wird es möglich, die Leistungserzeugung durch die Zelle 10 mit dem Wasserstoff-Strömungskanal 62, welche aufgrund einer Verstopfung eine negative Spannung besaß, fortzusetzen.
Die Steuerung 50 stoppt den Motor 30 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, um die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, wie in Schritt S111 in 2 gezeigt, anzuhalten. Dadurch kann durch Anhalten der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 die Strömung von Stickstoff von den nicht verstopften Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 in den verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 vermieden werden. Da während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 Wasserstoff 67 für die Menge des zur Leistungserzeugung verbrauchten Wasserstoffes in jeden der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 eingespritzt wird, steigt während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 der Stickstoffpartialdruck P_1N und P_1N' von jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 nicht stark an. Dadurch kann der Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 fortgesetzt werden.
Wie in Schritt S112 in 2 gezeigt ist, steuert die Steuerung 50 den elektrischen Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 zur Zeit t₄ in 3 auf Null, und senkt dann die Spannung des Verbrauchers 32, um die Ausgangsspannung V der Brennstoffzelle 11 zu senken, um den elektrischen Ausgangsstrom I von der Brennstoffzelle 11 auf I₂, welcher niedriger ist als I₁, zu steuern. Der elektrische Ausgangsstrom I₂ kann jeden Wert annehmen, solange der Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 fortgesetzt werden kann. Abhängig von dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 11 kann der elektrische Ausgangsstrom I₂ der gleiche elektrische Strom sein wie der ursprüngliche elektrische Ausgangsstrom I₁.
Die Steuerung 50 führt den Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 auf diese Art und Weise fort, bis der Wasserstoff-Strömungskanal 62, welcher aufgrund von Gefrieren verstopft war, durch eine Verlustwärme der Brennstoffzelle 11 aufgetaut ist. Wie in Schritt S113 in 2 gezeigt ist, gewinnt die Steuerung 50 die Temperatur der Brennstoffzelle 11 durch einen Temperatursensor 37. Wie in Schritt S114 in 2 gezeigt ist, vergleicht die Steuerung 50 die gewonnene Temperatur mit einer Verstopfungs-Vermeidungstemperatur, wie etwa 30°C. Wenn die gewonnene Temperatur der Brennstoffzelle 11 höher als die Verstopfungs-Vermeidungstemperatur ist, wird ermittelt, dass die Verstopfung des Wasserstoff-Strömungskanal 62 entfernt worden ist. Dann startet, wie in Schritt S115 in 2 gezeigt ist, die Steuerung 50 den Motor 30 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, um die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 wieder in Betrieb zu nehmen.
Wenn die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 wieder in Betrieb genommen ist, da die Verstopfung des Wasserstoff-Strömungskanals 62 entfernt worden ist, fließt im Wesentlichen eine gleiche Menge an Wasserstoff und Stickstoff, was einen beständigen Betrieb der Brennstoffzelle 11 ermöglicht. Dann erhöht die Steuerung 50, wie in Schritt S116 in 2 gezeigt ist, den elektrischen Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 durch Absenken der Spannung des Verbrauchers 32, um den Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 weiter fortzuführen.
Wie vorstehend beschrieben ist, startet ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Betrieb mit einem Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11 auf einem ersten Druck, wenn eine Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunkts durchgeführt wird. Dann führt, nach dem Ermitteln eines Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins einer verstopften Zelle 10 in einem Wasserstoff-Strömungskanal aufgrund von Gefrieren in einer kurzen Zeit, das Brennstoffzellensystem 100 einen Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 durch Erhöhen des Gesamtdrucks an dem Wasserstoff-Einlass auf einen zweiten Druck, und außerdem Anhalten der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, wenn eine Verstopfung vorliegt, durch. Auf diese Art und Weise erreicht das Brennstoffzellensystem 100 einen Vorteil, dass eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle 11 aufgrund eines Mangels an Wasserstoffgas unterdrückt werden kann, da, selbst wenn eine Verstopfung in einem Wasserstoff-Strömungskanal auftritt, ein Erwärmungsvorgang mit keinem Mangel an Wasserstoffgas durchgeführt werden kann.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde die Beschreibung unter der Annahme gemacht, dass der erste Druck niedriger ist als der Wasserstoff-Gesamtdruck bei einer normalen Inbetriebnahme. Jedoch kann der erste Druck bei einer normalen Inbetriebnahme gleich dem Wasserstoff-Gesamtdruck sein, solange die Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ausreichend ist, um die Einspritzung von Wasserstoff in den Wasserstoff-Strömungskanal, welcher aufgrund von Gefrieren verstopft ist, für die ausreichende Menge, welche für den Erwärmungsvorgang benötigt wird, zu ermöglichen.
Eine weitere Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstebend mit Bezug auf 9 beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen werden den gleichen Abschnitten, die in den vorstehenden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben wurden, zugewiesen, und deren Beschreibungen werden weggelassen. Wie vorstehend unter Bezugnahme auf 5 und 6 beschrieben wurde, strömt Stickstoff in einen verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 von den anderen Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64, was ein Ansteigen des Stickstoffpartialdrucks bewirkt. Dadurch weist die Zelle 10 mit dem verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 eine negative Spannung auf. Bei diesem Ereignis wird, da der Wasserstoffpartialdruck an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoff-Strömungskanal 62 höher ist und in Richtung stromabwärts niedriger ist, die elektrische Stromdichte (CD) (die Menge an elektrischem Strom pro Einheitsbereich) während der Leistungserzeugung an der stromaufwärtigen Seite des verstopften Wasserstoff-Strömungskanals 62 in der Zelle 10 höher, während die elektrische Stromdichte (CD) an der stromabwärtigen Seite kleiner wird. In einer Brennstoffzelle 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird ein Gasgemisch in die Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 von der oberen Seite in der Schwerkraftrichtung eingespritzt, während reagiertes Gas von der unteren Seite in der Schwerkraftrichtung entlassen wird. Daher bewegt sich der schwere Stickstoff, der in den verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 eingespritzt wird, wenn eine Verstopfung in dem Wasserstoff-Strömungskanal 62 auftritt, allmählich in Richtung der unteren Seite in der Schwerkraftrichtung, während der Wasserstoffpartialdruck an der stromaufwärtigen Seite höher wird, was in einer höheren elektrischen Stromdichte (CD) an der stromaufwärtigen Seite resultiert.
Wie in 9 durch eine durchgehende Linie „j” gezeigt ist, steigt die elektrische Stromdichte (CD) an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoff-Strömungskanals allmählich an, während die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 fortschreitet. Hingegen steigt, wie in 9 durch die strichpunktierte Linie „k” gezeigt ist, die elektrische Stromdichte (CD) an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Strömungskanals nach dem Erreichen eines bestimmten Niveaus nicht an, selbst wenn die Leistungserzeugung fortschreitet. Dadurch wird die Differenz ΔCD der elektrischen Stromdichte zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Strömungskanals im Zeitverlauf größer. Daher wird mit Sensorstreifen 39a, 39b für den elektrischen Teilstrom, die jeweils an jeder der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten eines Wasserstoff-Strömungskanals in jeder Zelle angeordnet sind, ein Auftreten einer Verstopfung in einem Wasserstoff-Strömungskanal ermittelt, wenn die Differenz ΔCD zwischen den wahrgenommenen elektrischen Stromdichten CDs eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Andere Merkmale als wie eine Verstopfung in einem Wasserstoff-Strömungskanal zu ermitteln, sind die gleichen als diese der Ausführungsformen, welche vorstehend mit Bezug zu 1 bis 8 beschrieben wurden.
Die vorliegende Ausführungsform erreicht den gleichen Vorteil wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind vorstehend beschrieben. Ein Referenzbeispiel ist nachfolgend gezeigt. Ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß dem vorliegenden Referenzbeispiel besitzt die gleiche Konfiguration als die Ausführungsform, die mit Bezug zu 1 beschrieben wurde. Jedoch wird bei dem vorliegenden Referenzbeispiel, wenn eine Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunkts erfasst wird, ein Erwärmungsvorgang nicht durch allmähliches Erhöhen des Gesamtdrucks an dem Wasserstoff-Einlass bei der Inbetriebnahme von dem ersten Druck zu dem zweiten Druck durchgeführt, sondern durch Erhöhen des Gesamtdrucks an dem Wasserstoff-Einlass auf einen Druck, der höher als der Wasserstoffdruck bei einer normalen Inbetriebnahme ist, ohne Betreiben der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29.
Das vorliegende Referenzbeispiel wird nachfolgend mit Bezug auf 10 und 12 beschrieben. Wie in Schritt S201 in 10 gezeigt ist, gewinnt eine Steuerung 50 eine Lufttemperatur durch einen Temperatursensor 40, wenn ein Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb genommen wird. Dann wird, wie in Schritt S202 in 10 gezeigt ist, wenn die gewonnene Lufttemperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, eine Niedrigtemperatur-Inbetriebnahme durchgeführt, bei welcher die Brennstoffzelle 11 in Betrieb genommen wird, während ein Erwärmungsvorgang durchgeführt wird. Andererseits nimmt die Steuerung 50 die Brennstoffzelle 11 in einer normalen Inbetriebnahme in Betrieb, bei welcher kein Erwärmungsvorgang durchgeführt wird, wie in Schritt S211 in 10 gezeigt ist, wenn die durch den Temperatursensor 40 gewonnene Lufttemperatur oberhalb des Gefrierpunktes ist.
Wenn in Schritt S202 in 10 ermittelt wird, dass die Lufttemperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist, treibt die Steuerung 50 einen Motor eines Luftkompressors 12 an, um den Luftkompressor 12 zu starten, wie in Schritt S203 in 10 gezeigt ist. Dann passt die Steuerung 50, wie in Schritt S204 in 10 gezeigt ist, einen Öffnungswinkel eines Wasserstoff-Druckanpassungsventils 27 an, so dass ein Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11, der durch den Drucksensor 34 gewonnen wird, zu dem Gesamtdruck P_4T wird, wobei der Gesamtdruck P_4T ein Druck ist, der höher ist als der Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass, wenn die Brennstoffzelle 11 bei einer normalen Temperatur in Betrieb genommen wird. Dadurch wird, wenn der Wasserstoff und Luft in die Brennstoffzelle 11 eingespritzt werden, die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 gestartet.
In ähnlicher Weise wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist vor der Einspritzung von Wasserstoff, Stickstoff innerhalb jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 bei einem Partialdruck P_0N, beispielsweise etwa 50 kPa, was leicht unterhalb von 80 kPa ist, was dem Partialdruck von Stickstoff in der Luft entspricht, erhalten. Wasserstoff wird in jeden der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 eingespritzt, während das Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 derart angepasst wird, dass der Gesamtdruck P_T an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11, der durch den Drucksensor 34 wahrgenommen wird, zu „P_T = der Gesamtdruck P_4T” wird.
Beispielsweise wenn der Partialdruck von dem erhaltenen Strickstoff P_0N in etwa 50 kPa ist, und das Wasserstoff-Druckanpassungsventil 27 derart anzupassen ist, dass der Gesamtdruck P_4T an dem Wasserstoff-Einlass zu 250 kPa wird, wird der Wasserstoffpartialdruck P_4H in jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 zu etwa 250 – 50 = 200 kPa.
Da die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 angehalten wird, fließt, im Gegensatz zu den vorstehend mit Bezug auf 5 und 6 beschriebenen Ausführungsformen, während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 kein Stickstoff von den nicht verstopften Wasserstoff-Strömungskanälen 61, 63, 64 in den verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62. Dadurch wird während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 Wasserstoff für die Menge an Wasserstoff, welche in jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 während der Leistungserzeugung verbraucht wurde, von der Wasserstoffzuführleitung 22 eingespritzt. Da der Stickstoffpartialdruck P_0N und Wasserstoffpartialdruck P_4H in jedem der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64 während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 11 nicht stark ansteigen, kann der Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 fortgeführt werden, während ein Mangel an Wasserstoff in der Zelle 10, welche den verstopften Wasserstoff-Strömungskanal 62 enthält, vermieden wird.
Wie in Schritt S205 in 10 gezeigt ist, passt die Steuerung 50, nach dem Erhöhen des Gesamtdrucks an dem Wasserstoff-Einlass auf P_4T, die Spannung des Verbrauchers derart an, dass der elektrische Ausgangsstrom I der Brennstoffzelle 11 zu I₃ wird. Der elektrische Ausgangsstrom I₃ kann zu dem elektrischen Ausgangsstrom bei einer normalen Inbetriebnahme gleich sein. Alternativ kann unter Betrachtung dessen, dass die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 nicht in Betrieb ist, der elektrische Ausgangsstrom I₃ kleiner sein als der elektrische Ausgangsstrom bei einer normalen Inbetriebnahme.
Die Steuerung 50 führt den Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 auf diese Art und Weise fort, bis der Wasserstoff-Strömungskanal 62, der aufgrund von Gefrieren verstopft ist, durch Verlustwärme der Brennstoffzelle 11 aufgetaut ist. Wie in Schritt S206 in 10 gezeigt ist, gewinnt die Steuerung 50 die Temperatur der Brennstoffzelle 11 durch einen Temperatursensor 37. Dann vergleicht die Steuerung 50, wie in Schritt S207 in 10 gezeigt ist, die gewonnene Temperatur mit einer Verstopfungs-Vermeidungstemperatur, wie etwa 30°C. Wenn die gewonnene Temperatur der Brennstoffzelle 11 höher ist als die Verstopfungs-Vermeidungstemperatur, ermittelt die Steuerung 50, dass die Verstopfung des Wasserstoff-Strömungskanals 62 entfernt ist. Dann senkt die Steuerung 50, wie in Schritt S208 in 10 gezeigt ist, den Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass auf P_5T, was dem Druck bei einer normalen Inbetriebnahme gleicht. Dann startet die Steuerung 50, wie in Schritt S209 in 10 gezeigt ist, einen Motor 30 der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29, um die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 zu starten.
Wenn die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 gestartet ist, da die Verstopfung des Wasserstoff-Strömungskanal 62 entfernt worden ist, wie vorstehend mit Bezug auf 8 beschrieben, strömt im Wesentlichen die gleiche Menge an Wasserstoff und Stickstoff in jeden der Wasserstoff-Strömungskanäle 61 bis 64, was einen beständigen Betrieb der Brennstoffzelle 11 ermöglicht. Dann senkt die Steuerung 50, wie in Schritt S210 in 10 gezeigt ist, die Spannung eines Verbrauchers 32, um einen elektrischen Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 11 zu erhöhen, um den Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 weiter fortzuführen.
Bei dem vorliegenden Referenzbeispiel wird, wenn eine Verstopfung eines Wasserstoff-Strömungskanals bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunkts erwartet wird, der Erwärmungsvorgang der Brennstoffzelle 11 mit dem Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass der Brennstoffzelle 11, der höher ist als der Gesamtdruck an dem Wasserstoff-Einlass bei einer normalen Inbetriebnahme der Brennstoffzelle 11, und ohne Betreiben der Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 durchgeführt. Auf diese Weise erreicht das vorliegende Referenzbeispiel einen Vorteil, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle 10 während des Erwärmungsvorganges aufgrund eines Mangels an Wasserstoff eine negative Spannung besitzt, durch Erhöhen des Wasserstoffpartialdrucks des Wasserstoff-Strömungskanals im Vorhinein, der aufgrund von Gefrieren verstopft ist, niedrig gehalten werden kann. Ferner können, wie in 12 gezeigt ist, Eiskörner 75 an der Oberfläche einer Diffusionsschicht 73, welche neben dem Wasserstoff-Strömungskanal 74 ist, angebracht werden, oder Eispartikel 76, welche sehr kleine Ausbildungen von Eis sind, können innerhalb der Diffusionsschicht 73 erzeugt werden, wenn Gefrieren auftritt. Mit solch erhöhtem Widerstand dagegen, dass der Wasserstoff in dem Wasserstoff-Strömungskanal 74 einen Katalysator 72 und Elektrolytmembran 71 erreicht, kann eine Beeinträchtigung des Katalysators 72 aufgrund eines Mangels an ausreichender Zuführung von Wasserstoff zu dem Katalysator 72 auftreten. Bei dem vorliegenden Referenzbeispiel wird bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunkts, durch Steuern des Gesamtdrucks an dem Wasserstoff-Einlass, so dass dieser höher ist als der Gesamtdruck bei einer normalen Inbetriebnahme, der Wasserstoffpartialdruck innerhalb des Wasserstoff-Strömungskanals 74 erhöht, um zu erleichtern, dass Wasserstoff den Katalysator 72 und die Elektrolytmembran 71 erreicht. Auf diese Weise kann ein Auftreten einer negativen Spannung und einer Beeinträchtigung der Brennstoffzelle 11 aufgrund eines Mangels an Wasserstoffgas bei einer Inbetriebnahme unterhalb des Gefrierpunkts wirkungsvoll unterdrückt werden.
Es ist anzumerken, dass bei dem vorliegenden Referenzbeispiel die Beschreibungen unter der Annahme gemacht wurden, dass die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle nicht betrieben wird, die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 29 kann gestartet werden, wenn die Brennstoffzelle 11 in Betrieb genommen wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008-198439 A [0007]
JP 2007-184202 A [0007]
JP 2006-134680 A [0007]
JP 2002-313388 A [0007]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die eine Vielzahl von gestapelten Zellen zum Erzeugen von Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas enthält; ein Druckanpassungsventil zum Anpassen eines Gasdruckes an dem Brenngas-Einlass, welches zwischen einem Brennstofftank und einem Brenngas-Einlass der Brennstoffzelle angeordnet ist; eine Gas-Zirkulationspumpe, die reagiertes Brenngas von einem Brenngas-Auslass der Brennstoffzelle zu dem Brenngas-Einlass umwälzt; eine Zellspannungs-Erlangungseinheit, die eine Spannung von jeder der Zellen erlangt; und eine Steuerung, die eine Inbetriebnahme und ein Anhalten der Gas-Zirkulationspumpe durchführt, und einen Öffnungswinkel des Druckanpassungsventils anpasst, wobei die Steuerung aufweist: eine Verstopfungs-Ermittlungseinheit, die bei einem Start der Brennstoffzelle, das Brenngas in den Brenngas-Einlass einführt, während diese den Öffnungswinkel des Druckanpassungsventils anpasst, um den Gasdruck an dem Brenngas-Einlass derart zu steuern, dass dieser ein erster Druck ist, die Brenngas-Zirkulationspumpe startet, und ermittelt, dass eine Verstopfung in einem Brenngas-Strömungskanal innerhalb der Brennstoffzelle vorliegt, wenn wenigstens eine Spannung von jeder der Zellen, die durch die Zellspannungs-Erlangungseinheit erlangt wird, kleiner ist als eine vorbestimmte Spannung; und eine Verstopfungs-Beseitigungseinheit, welche die Verstopfung des Brenngas-Strömungskanals entfernt, wenn die Verstopfungs-Ermittlungseinheit ermittelt hat, dass die Verstopfung in dem Brenngas-Strömungskanal vorliegt, durch Anpassen des Öffnungswinkels des Druckanpassungsventils, Einführen des Brenngases in den Brenngas-Einlass, um den Gasdruck an dem Brenngas-Einlass derart zu steuern, dass dieser ein zweiter Druck ist, welcher höher ist als der erste Druck, und Anhalten der Brenngas-Zirkulationspumpe.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Verstopfungs-Beseitigungseinheit nach dem Absenken eines elektrischen Ausgangsstromes von der Brennstoffzelle, bis eine negative Spannung von jeder der Zellen entfernt ist, den elektrischen Ausgangsstrom zu einem vorbestimmten elektrischen Strom erhöht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine Erlangungseinheit zur Dichteverteilung eines elektrischen Zellenstroms aufweist, die eine Dichteverteilung eines elektrischen Stroms von jeder der Zellen wahrnimmt, und die Verstopfungs-Ermittlungseinheit ermittelt, dass die Verstopfung in dem Brenngas-Strömungskanal vorliegt, wenn die Dichteverteilung des elektrischen Stroms von jeder der Zellen, die durch die Erlangungseinheit zur Dichtverteilung eines elektrischen Zellenstroms erlangt wird, ein Ungleichgewicht zeigt, das größer als ein Schwellenwert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Erlangungseinheit zur Dichteverteilung eines elektrischen Zellenstroms ein Paar von Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom ist, die jeweils an einer Brenngas-Stromaufwärtsseite und einer Brenngas-Stromabwärtsseite von jeder der Zellen angeordnet sind, und ermittelt wird, dass die Verstopfung vorliegt, wenn eine Differenz zwischen einer elektrischen Stromdichte, die durch den Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, der an der Brenngas-Stromaufwärtsseite angeordnet ist, von jedem Paar der Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, wahrgenommen wird, und einer elektrischen Stromdichte, die durch den Sensorstreifen für den elektrischen Teilstrom, der an der Brenngas-Stromabwärtsseite angeordnet ist, wahrgenommen wird, größer ist als ein Schwellenwert.