DE112010003392T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, bei dem überschüssiger Wasserdampf oder Stickstoffgas daran gehindert wird, bei einem diskontinuierlichen Betrieb innerhalb der Brennstoffzelle zu verbleiben. Das Brennstoffzellensystem ist mit einer Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen ausgebildet ist, welche jeweils eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode positionierte Elektrodenmembran, und einen Reaktionsgas-Strömungskanal aufweisen, vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Bestimmungseinheit, welche eine Wasserdampfmenge und eine Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran und/oder des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt; und eine Betriebssteuereinheit, die während eines Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an jeder der vorbestimmten Positionen, welche durch die Bestimmungseinheit bestimmt wurden, mit einem Schwellenwert für jede der vorbestimmten Positionen, die unter Berücksichtigung einer Stapelrichtung der Einheitszellen und einer Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wurden, vergleicht, und ein Gas, das Wasserstoffgas enthält, dem Reaktionsgas-Strömungskanal zuführt, und Wasserdampf und Stickstoffgas von innerhalb der Brennstoffzelle abführt, wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge den Schwellenwert an wenigstens einer der Positionen übersteigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Wasserdampfmengen-Bestimmung und eine Stickstoffgasmengen-Bestimmung in einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle verwendet, und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Bisher war es bekannt, dass es zum Erzeugen von Elektrizität mit gutem Wirkungsgrad mit Hilfe einer Feststoffpolymer-Brennstoffzelle wünschenswert ist, dass sich die Elektrolytmembran in einem ausreichend befeuchteten Zustand befindet, und dass keine überschüssige Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle vorliegt. Die beispielsweise in Patentdokument 1 beschriebene Technologie ist zum Steuern der Feuchtigkeitsmenge in der Zellenebene der Brennstoffzelle bekannt. Patentdokument 1 offenbart das Merkmal des Anpassens von zumindest einer der Größen von Druck, Feuchtigkeit, Strömungsrate und/oder Druckverlust-Charakteristik, welche durch die Strömungskanalgestalt für ein Reaktionsgas (ein allgemeiner Ausdruck für ein Oxidationsgas wie Luft und ein Brenngas wie Wasserstoffgas) bestimmt wird, um die Verteilung der Feuchtigkeitsmenge als Wasserdampf oder Flüssigkeitströpfchen in der Zellenebene zu steuern. Patentdokumente 2 bis 5 sind weitere Dokumente des Standes der Technik.
    Patentdokument 1: japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2004-335444
    Patentdokument 2: japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2005-222854
    Patentdokument 3: japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2009-004151
    Patentdokument 4: japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2008-041505
    Patentdokument 5: japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnummer 2005-339845
  • In einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist jedoch eine große Anzahl von Einheitszellen gestapelt, die Feuchtigkeitsmenge verändert sich entlang der Stapelrichtung und die Feuchtigkeitsmenge verändert sich ebenso in der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals in der Zellenebene. Diesbezüglich wird in der in Patentdokument 1 beschriebenen Konfiguration die Feuchtigkeitsmenge in der Stapelrichtung der Brennstoffzellen oder die Feuchtigkeitsmenge in der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals in dem Steuerverfahren nicht berücksichtigt und es ist schwierig, die Verteilung der Feuchtigkeitsmenge innerhalb der Brennstoffzelle mit hoher Genauigkeit zu steuern.
  • Aufgrund des Anstiegs des Brennstoffverbrauchs in den vergangenen Jahren ist die Anzahl von Brennstoffzellensystemen, bei denen ein diskontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzellen durchgeführt wird, angestiegen. Bei dem diskontinuierlichem Betrieb wird der Betrieb einer Hilfsvorrichtung, welche die Reaktionsgase der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode zuführt, gestoppt.
  • Jedoch kann während des Betriebsstopps bei diskontinuierlichem Betrieb eine überschüssige Menge an Wasserdampf oder Stickstoffgas als Verunreinigung innerhalb der Brennstoffzelle verbleiben. In solch einem Fall kann unter der Wirkung des verbleibenden Wasserdampfes oder Stickstoffgases die Zuführung der Reaktionsgase unzureichend sein, die Zellenspannung abnehmen und der Brennstoffverbrauch zunehmen, wenn der Betrieb danach gestartet wird.
  • KURZFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die vorgenannten Probleme geschaffen, und es ist eine Aufgabe davon, überschüssigen Wasserdampf oder Stickstoffgas daran zu hindern, bei einem diskontinuierlichem Betrieb innerhalb der Brennstoffzelle zu verbleiben.
  • Um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode positionierte Elektrodenmembran, und einen Reaktionsgas-Strömungskanal aufweisen, ausgebildet ist, vor, wobei das Brennstoffzellensystem enthält: eine Bestimmungseinheit, die eine Wasserdampfmenge und eine Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran und/oder des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt; und eine Betriebssteuereinheit, die während eines Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an jeder der vorbestimmten Positionen, welche durch die Bestimmungseinheit bestimmt wurden, mit einer Schwelle für jede der vorbestimmten Positionen, die unter Berücksichtung einer Stapelrichtung der Einheitszellen und einer Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wurde, vergleicht, und ein Gas, das Wasserstoffgas enthält, dem Reaktionsgas-Strömungskanal zuführt und Wasserdampf und Stickstoffgas von innerhalb der Brennstoffzelle abführt, wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge die Schwelle an zumindest einer der Positionen überschreitet. Der Fall, bei dem die vorbestimmten Positionen miteinander verbunden sind, ist in dem Konzept der ”Mehrzahl von vorbestimmten Positionen” auch enthalten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird veranlasst, wenn die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an irgendeiner Position innerhalb der Elektrolytmembran oder des Reaktionsgas-Strömungskanals eine Schwelle bzw. einen Schwellenwert überschreitet, die für jede Position eingestellt wurde, dass ein Gas in dem Reaktionsgas-Strömungskanal strömt, und dadurch kann überschüssiger Wasserdampf oder Stickstoffgas zuverlässig daran gehindert werden, während des Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs innerhalb der Brennstoffzelle zu verbleiben. Folglich kann die unzureichende Reaktionsgas-Zuführung und der Abfall der Zellenspannung, die durch den Wasserdampf oder Stickstoffgas hervorgerufen wurden, verhindert werden, wenn der nächste Betriebszyklus gestartet wird, und der Brennstoffverbrauch kann verbessert werden. Ferner kann die Frequenz oder die Steuerzeit des Gas-Zuführungs-Zyklus optimiert werden, da die Schwelle unter Berücksichtigung der Stapelrichtung der Einheitszellen und der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt ist. Folglich kann die Menge an Wasserdampf und Stickstoffgas wirkungsvoll reduziert werden und zusätzliche Zuführung von Gas kann verhindert werden.
  • Der Reaktionsgas-Strömungskanal kann mit einem Zirkulations-Strömungskanal in Verbindung stehen, welcher das von der Brennstoffzelle abgeführte Gas aufnimmt, und das aufgenommene bzw. behandelte Gas der Brennstoffzelle zuführt; und die Betriebssteuereinheit kann eine Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal durchführen, wenn der Schwellenwert bzw. die Schwelle überschritten wird. In solch einem Fall können Wasserdampf und Stickstoffgas vorteilhaft von der Brennstoffzelle abgeführt werden.
  • Ein Abführ-Strömungskanal, der nach außerhalb des Brennstoffzellensystems führt, kann mittels eines Öffnungs-/Schließventils mit dem Zirkulations-Strömungskanal verbunden sein; und die Betriebssteuereinheit kann während einer Gaszirkulation das Öffnungs-/Schließventil öffnen und die Abführung von Wasserdampf und Stickstoffgas mittels des Abführ-Strömungskanals durchführen. In solch einem Fall kann Wasserdampf und Stickstoffgas wirkungsvoll abgeführt werden.
  • Die Bestimmungseinheit kann als Bestimmung der Wasserdampfmenge eine Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und eine Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran in einer Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Wasserübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, bestimmen, und als Bestimmung der Stickstoffgasmenge eine Stickstoffgasverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal in der Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Stickstoffgasübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, bestimmen. In solch einem Fall wird die Wasserübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt, und dadurch kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit des Wassergehalts und der restlichen Wassermenge, d. h. der Wasserdampfmenge, sichergestellt werden. Da die Stickstoffgasübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt wird, kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit der Stickstoffgasmenge sichergestellt werden. Zusätzlich kann, da unter Verwendung der Ergebnisse von solch hoher Bestimmungsgenauigkeit Gas veranlasst wird zu strömen, die Steuerzeit und Frequenz davon optimiert werden. Infolgedessen können Wasserdampf und Stickstoffgas angemessen abgeführt werden.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in einem Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode positionierte Elektrodenmembran, und einen Reaktionsgas-Strömungskanal aufweisen, ausgebildet ist, wobei das Betriebsverfahren aufweist: einen Schritt des Bestimmens einer Wasserdampfmenge und einer Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran und/oder des Reaktionsgas-Strömungskanals; und einen Schritt des Vergleichens von zumindest entweder der Wasserdampfmenge oder der Stickstoffgasmenge an jeder der vorbestimmten Positionen, welche durch die Bestimmungseinheit bestimmt wurden, mit einer Schwelle für jede der vorbestimmten Positionen, die unter Berücksichtigung einer Stapelrichtung der Einheitszellen und einer Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wurde, während eines Betriebsstopps des kontinuierlichen Betriebs, und des Zuführens eines Gases, welches Wasserstoffgas enthält, zu dem Reaktionsgas-Strömungskanal, und des Abführens von Wasserdampf und Stickstoffgas von innerhalb der Brennstoffzelle, wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge den Schwellenwert bzw. die Schwelle an wenigstens einer der Positionen überschreitet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung strömt das Gas in dem Reaktionsgas-Strömungskanal, wenn die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an irgendeiner Position innerhalb der Elektrolytmembran oder des Reaktionsgas-Strömungskanals der Brennstoffzelle eine Schwelle überschreitet, die für jede Position eingestellt wurde, und dadurch kann überschüssiger Wasserdampf oder Stickstoffgas wirkungsvoll daran gehindert werden, während eines Betriebsstopps des kontinuierlichen Betriebs innerhalb der Brennstoffzelle zu verbleiben. Folglich kann die unzureichende Reaktionsgas-Zuführung und der Abfall der Zellenspannung, die durch Wasserdampf oder Stickstoffgas hervorgerufen werden, verhindert werden, wenn der nächste Betriebszyklus gestartet wird, und der Brennstoffverbrauch kann verbessert werden. Ferner kann die Frequenz oder Steuerzeit des Gas-Zuführungs-Zyklus optimiert werden, da die Schwelle unter Berücksichtigung der Stapelrichtung der Einheitszellen und der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wird. Folglich kann die Menge an Wasserdampf oder Stickstoffgas wirkungsvoll reduziert werden und eine zusätzliche Zuführung von Gas kann verhindert werden.
  • Eine Gaszirkulation kann durchgeführt werden, bei der das Gas, das von dem Reaktionsgas-Strömungskanal der Brennstoffzelle abgeführt wird, aufgenommen und dem Reaktionsgas-Strömungskanal der Brennstoffzelle zugeführt wird, wenn die Schwelle überschritten wird. In solch einem Fall kann Wasserdampf und Stickstoffgas vorteilhaft von der Brennstoffzelle abgeführt werden.
  • Während der Gaszirkulation kann Wasserdampf und Stickstoffgas mittels eines Abführungs-Strömungskanals, der mit einem Zirkulations-Strömungskanal verbunden ist, in welchem die Gaszirkulation durchgeführt wird, abgeführt werden. In solch einem Fall kann Wasserdampf und Stickstoffgas wirkungsvoll abgeführt werden.
  • Der Schritt des Bestimmens der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge kann als Bestimmung der Wasserdampfmenge, Bestimmen einer Verteilung einer restlichen Wassermenge in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und einer Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran in einer Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtung einer Wasserübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, enthalten, und als Bestimmung der Stickstoffgasmenge, Bestimmen einer Stickstoffgasverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal in der Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Stickstoffgasübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, enthalten. In solch einem Fall wird die Wasserübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt und dadurch kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit des Wassergehalts und der restlichen Wassermenge, d. h., der Wasserdampfmenge, sichergestellt werden. Da die Stickstoffgasübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt wird, kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit der Stickstoffgasmenge sichergestellt werden. Zusätzlich kann, da unter Verwendung der Ergebnisse von solch hoher Bestimmungsgenauigkeit Gas veranlasst wird zu strömen, die Steuerzeit und Frequenz davon optimiert werden. Somit können Wasserdampf und Stickstoffgas angemessen abgeführt werden.
  • BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform.
  • 2 ist eine Seitenansicht, die einen Teil der inneren Struktur der Brennstoffzelle gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht der Einheitszelle gemäß der Ausführungsform.
  • 4 ist eine Draufsicht des Separators gemäß der Ausführungsform.
  • 5A ist eine schematische Draufsicht der Strömungskanalgestalt des Separators gemäß des ersten Variationsbeispiels der Ausführungsform.
  • 5B ist eine schematische Draufsicht der Strömungskanalgestalt des Separators gemäß des zweiten Variationsbeispiels der Ausführungsform.
  • 5C ist eine schematische Draufsicht der Strömungskanalgestalt des Separators gemäß des dritten Variationsbeispiels der Ausführungsform.
  • 6 ist ein Konfigurations-Diagramm des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform.
  • 7 ist ein funktionelles Block-Diagramm der Steuereinheit gemäß der Ausführungsform.
  • 8 ist ein Flussdiagramm, welches das Verfahren des Bestimmens der Wasserdampfverteilung in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 9 erklärt die Beziehung zwischen der Zuführung und Abführung von Reaktionsgas für den Zellenstapel gemäß der Ausführungsform.
  • 10 ist ein charakteristisches Kennfeld, welches die Beziehung zwischen der relativen Feuchtigkeit der Elektrolytmembran und DH2O gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 11 erklärt die Beziehung zwischen Stromdichte und Position in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform.
  • 12 erklärt die relative Feuchtigkeitsverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und der Elektrolytmembran in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform.
  • 13 erklärt die Verteilung der restlichen Wassermenge in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform.
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Berechnens der Einlassöffnungs-Temperatur gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 15A erklärt die Beziehung zwischen der Einheitszellenposition und der Kühlmittel-Strömungsrate mit Bezug auf den Effekt der Wärmeemission auf die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur gemäß der Ausführungsform.
  • 15B erklärt die Beziehung zwischen der Einheitszellenposition und der Außenlufttemperatur mit Bezug auf den Effekt der Wärmeemission auf die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur gemäß der Ausführungsform.
  • 16 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Berechnens der Luft-Strömungsrate und des Luft-Gegendrucks für jede Einheitszelle gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 17 ist ein Kennfeld, das die P-Q-Charakteristik der Einheitszelle entsprechend der restlichen Wassermenge gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 18A erklärt die Zellen-Einlassöffnungs-Druckverteilung gemäß der Ausführungsform.
  • 18B erklärt die Zellen-Zufluss-Strömungsratenverteilung gemäß der Ausführungsform.
  • 18C erklärt die Zellen-Auslassöffnungs-Druckverteilung gemäß der Ausführungsform.
  • 19 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Berechnens der Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 20 erklärt die Beziehung zwischen der Einheitszellenposition und der Kühlmittel-Strömungsrate mit Bezug auf den Effekt der Wärmeemission auf die Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur gemäß der Ausführungsform.
  • 21 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren des Bestimmens der Stickstoffgasverteilung in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform erklärt.
  • 22 ist ein charakteristisches Kennfeld, welches die Beziehung zwischen der relativen Feuchtigkeit der Elektrolytmembran und DN2 gemäß der Ausführungsform darstellt.
  • 23 erklärt eine Stromdichte im Verhältnis zu einer Position in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform.
  • 24 erklärt die Verteilung der restlichen Stickstoffgasmenge in der Zellenebene gemäß der Ausführungsform.
  • 25 ist ein Flussdiagramm eines Steuerbeispiels gemäß der Ausführungsform.
  • 26 ist ein Zeitdiagramm, welches die Steuerzeit zum Durchführen der Gaszirkulation mit Bezug auf eine Schwelle der Wasserdampfmenge, während des Betriebsstopps bei diskontinuierlichem Betrieb erklärt.
  • 27 ist ein Zeitdiagramm, welches die Steuerzeit zum Durchführen der Gaszirkulation mit Bezug auf eine Schwelle der Stickstoffgasmenge, während des Betriebsstopps bei diskontinuierlichem Betrieb erklärt.
  • 28 erklärt schematisch die Strömung von Reaktionsgas in dem Zellenstapel gemäß der Ausführungsform.
  • 29 erklärt die Beziehung zwischen der Stapelrichtung der Zellen und der Reaktionsgas-Strömungskanalrichtung.
  • 30 erklärt ein Steuerbeispiel der Wasserstoffpumpe, wenn eine Gaszirkulation durchgeführt wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug zu den beigefügten Abbildungen erklärt. Zunächst wird das Brennstoffzellensystem mit der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform überblickt, und dann wird die Bestimmung der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge in der Brennstoffzelle, und ein Steuerbeispiel unter Verwendung derartiger Bestimmungen erläutert. In der nachstehenden Erläuterung wird Wasserstoffgas als ein Brenngas betrachtet, Luft wird als ein oxidierendes Gas betrachtet, und das Brenngas und das oxidierende Gas werden zusammen als Reaktionsgas bezeichnet.
  • A. Überblick über die Brennstoffzelle
  • Wie in 1 und 2 gezeigt ist, weist eine Brennstoffzelle 1 von gestapelter Struktur einen Zellenstapel 3 auf, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen 2 eines Feststoffpolymer-Elektrolyt-Typs gewonnen wird. Entsprechende Kollektorplatten 5a, 5b, Isolationsplatten 6a, 6b und Endplatten 7a, 7b sind an der äußeren Seite der Einheitszellen 2 (nachfolgend als ”Endzellen 2a” bezeichnet), die an beiden Enden des Zellenstapels 3 positioniert sind, angeordnet. Spannplatten 8 sind durch Bolzen 9 fixiert, um sich zwischen den Endplatten 7a, 7b zu erstrecken, und ein elastisches Modul 10 ist zwischen der Endplatte 7b und der Isolationsplatte 6b vorgesehen.
  • Wasserstoffgas, Luft und Kühlmittel werden von einer Zuführleitung 14, die mit Zuführöffnungen 11a, 12a, 13a der Endplatte 7a verbunden ist, einem Verteiler 15a, welcher innerhalb des Zellenstapels 3 angeordnet ist, zugeführt. Dann strömt das Wasserstoffgas, Luft und Kühlmittel in der Ebenenrichtung der Einheitszellen 2, erreichen einen Verteiler 15b, der innerhalb des Zellenstapels 3 angeordnet ist, und werden von einer Abführleitung 16, die mit Abführöffnungen 11b, 12b, 13b der Endplatte 7a verbunden ist, nach außerhalb der Brennstoffzelle 1 abgeführt. Die Zuführleitung 14, Verteiler 15a, 15b und Abführleitung 16 sind für jedes Fluid von Wasserstoffgas, Luft und Kühlmittel vorgesehen, jedoch sind in 2 diese Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen benannt und eine Erläuterung davon ist weggelassen.
  • Wie in 3 gezeigt, ist die Einheitszelle 2 mit einer MEA 20 und einem Paar von Separatoren 22A, 22B vorgesehen. Die MEA 20 (Membranelektrodenanordnung) ist durch eine Elektrolytmembran 23, welche aus einer Ionentauschmembran zusammengesetzt ist, und eine Anodenelektrode 24A und eine Kathodenelektrode 24B, welche die Elektrolytmembran 23 dazwischen aufnehmen, aufgebaut. Ein Wasserstoff-Strömungskanal 25A des Separators 22A weist auf die Elektrode 24A zu, und ein Luft-Strömungskanal 25B des Separators 22B weist auf die Elektrode 24B zu. Kühlmittel-Strömungskanäle 26A, 26B der Separatoren 22A, 22B stehen zwischen den benachbarten Einheitszellen 2 in Verbindung.
  • 4 ist eine Draufsicht des Separators 22A. Der Separator 22A besitzt eine Wasserstoff Einlassöffnung 27a, eine Luft-Einlassöffnung 28a, eine Kühlmittel-Einlassöffnung 29a, eine Wasserstoff Auslassöffnung 27b, eine Luft-Auslassöffnung 28b und eine Kühlmittel-Auslassöffnung 29b, welche als Durchgangsöffnungen an der Außenseite des Wasserstoff-Strömungskanals 25A ausgebildet sind. Die Einlassöffnungen 27a, 28a, 29a bilden Teile des Verteilers 15a entsprechend des zugehörigen Fluids. In gleicher Weise bilden die Auslassöffnungen 27b, 28b, 29b Teile des Verteilers 15b entsprechend des zugehörigen Fluids.
  • In dem Separator 22A wird das Wasserstoffgas von der Einlassöffnung 27a in den Wasserstoff-Strömungskanal 25A eingeführt und in Richtung der Auslassöffnung 27b abgeführt. In dieser Hinsicht strömt das Kühlmittel in einer ähnlichen Art und Weise. In dem Separator 22B, der ähnlich dem Separator 22A aufgebaut ist, strömt die Luft in der Ebenenrichtung davon (diese Konfiguration wird nachfolgend nicht detailliert beschrieben). Auf diese Weise werden Wasserstoffgas und Luft den Elektroden 24A, 24B, die innerhalb der Einheitszelle 2 angeordnet sind, zugeführt, eine elektrochemische Reaktion wird durch das Wasserstoffgas und Luft innerhalb der MEA 20 verursacht, und eine elektromotorische Kraft wird gewonnen. Aufgrund der elektrochemischen Reaktion wird Wärme erzeugt und an der Seite der Elektrode 24B wird Wasser produziert. Die Wärmemenge in jeder Einheitszelle 2 wird durch die Strömung des Kühlmittels reduziert. Ferner wird an der Seite der Elektrode 24B außerdem Stickstoffgas aus der Luft erzeugt.
  • 5A bis 5C sind schematische Draufsichten, welche andere Strömungskanal-Gestaltungen des Separators erklären, welche die vorliegende Ausführungsform verwenden können. Daher können die Strömungskanäle 25A, 25B, 26A, 26B anstatt der Konfiguration mit linearen Nut-Strömungskanälen (Spitzen und Senken erstrecken sich wiederholend in einer Richtung), wie in 4 gezeigt, eine schlangenförmige Strömungskanalgestalt besitzen, bei der, wie in 5A gezeigt ist, Abkantprofile in den Zwischenabschnitten vorliegen. Ferner können die Strömungskanäle 25A, 25B, 26A, 26B, wie in 5B gezeigt ist, eine wellenförmige Gestalt aufweisen, oder eine flache Gestalt, ohne Spitzen oder Senken, wie in 5C gezeigt ist. Als Reaktionsgas-Strömungsmodus kann anstatt des Gleichstrom-Typs (das Wasserstoffgas und Luft strömen in der gleichen Richtung), wie durch 1 und 4 erklärt ist, ein Gegenstrom-Typ verwendet werden, bei dem das Wasserstoffgas und Luft in entgegengesetzten Richtungen strömen. Ferner können die Separatoren 22A, 22B vertikal oder quer ausgerichtet werden. In anderen Worten, das nachstehend beschriebene Bestimmen der Feuchtigkeitsmenge in der Brennstoffzelle 1 ist nicht auf die Hardware-Konfiguration der Brennstoffzelle 1 beschränkt.
  • B. Überblick über das Brennstoffzellensystem
  • Wie in 6 gezeigt, ist ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Luft-Leistungssystem 300, einem Wasserstoff Leitungssystem 400, einem Kühlmittel-Leitungssystem 500 und einer Steuereinheit 600 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 100 kann an unterschiedlichsten mobilen Körpern, wie Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen und Robotern installiert werden, und kann außerdem auf stationäre Leistungsquellen angewendet werden. Das auf einem Automobil installierte Brennstoffzellensystem 100 wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
  • Das Luft-Leitungssystem 300 führt die Luft der Brennstoffzelle 1 zu und führt die Luft davon ab. Das Luft-Leitungssystem weist einen Befeuchter 30, einen Zuführ-Strömungskanal 31, einen Abführ-Strömungskanal 32 und einen Kompressor 33 auf. Die in der Atmosphäre enthaltene Luft (Luft mit niedriger Feuchtigkeit) wird durch den Kompressor 33 entnommen, in den Befeuchter 30 gepumpt und einen Feuchtigkeitsaustausch mit dem Oxidations-Abgas, welches sich in einem Zustand mit hoher Feuchtigkeit befindet. in dem Befeuchter 30 unterzogen. Folglich wird die angemessen befeuchtete Luft von dem Zuführ-Strömungskanal 31 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Ein Gegendruckventil 34, das den Luft-Gegendruck der Brennstoffzelle 1 anpasst, ist in dem Abführ-Strömungskanal 32 vorgesehen. Ein Drucksensor P1, der den Luft-Gegendruck erfasst, ist in der Nähe des Gegendruckventils 34 vorgesehen. Ein Brennstoffratensensor F1, welcher die Strömungsrate von der der Brennstoffzelle 1 zugeführten Luft erfasst, ist in dem Kompressor 33 vorgesehen.
  • Das Wasserstoff-Leitungssystem 400 führt Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 1 zu und führt Wasserstoffgas davon ab. Das Wasserstoff Leitungssystem weist eine Wasserstoff-Zuführquelle 40, einen Zuführ-Strömungskanal 41, einen Zirkulations-Strömungskanal 42 und ein Absperrventil 43 auf. Wasserstoffgas von der Wasserstoff-Zuführquelle 40 wird durch eine Regulierungseinrichtung 44 im Druck gesenkt und die Strömungsrate und der Druck davon werden durch einen Injektor 45 mit hoher Genauigkeit angepasst. Dann mischt sich das Wasserstoffgas in einem Knotenpunkt A mit Wasserstoff-Abgas, das durch eine Wasserstoffpumpe 46, die in dem Zirkulations-Kanal 42 angeordnet ist, gefördert wird, und die gemischten Gase werden der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Ein Abführ-Strömungskanal 47, der mit einem Gas-Wasser-Abführventil 48 vorgesehen ist, welches als ein Öffnungs-/Schließventil dient, ist von dem Zirkulations-Strömungskanal 42 abgezweigt und mit diesem verbunden, und das Wasserstoff-Abgas wird zu dem Abführ-Strömungskanal 32 abgeführt, wenn das Gas-Wasser-Abführventil 48 geöffnet wird. Ein Drucksensor P2, der einen Zuführdruck des Wasserstoffgases zu der Brennstoffzelle 1 erfasst, ist stromabwärts des Knotenpunktes A vorgesehen. Ferner ist ein Strömungsratensensor F2 an der Wasserstoffpumpe 46 vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Brennstoff Abgas in eine Wasserstoff-Verdünnungsvorrichtung eingeführt werden, und ein Gas-Flüssigkeits-Separator kann in dem Zirkulations-Strömungskanal 42 vorgesehen sein.
  • Das Kühlmittel-Leitungssystem 500 führt in einer zirkulierenden Art und Weise ein Kühlmittel (beispielsweise Kühlwasser) der Brennstoffzelle 1 zu. Das Kühlmittel-Leitungssystem weist eine Kühlpumpe 50, einen Kühlmittel-Strömungskanal 51, einen Kühler 52, einen Umgehungs-Strömungskanal 53 und ein Umschaltventil 54 auf. Die Kühlpumpe 50 pumpt das Kühlmittel, welches sich innerhalb des Kühlmittel-Strömungskanals 51 befindet, in die Brennstoffzelle 1. Der Kühlmittel-Strömungskanal 51 weist einen Temperatursensor T1 auf, welcher sich an einer Kühlmittel-Einlassöffnungsseite der Brennstoffzelle 1 befindet und einen Temperatursensor T2 auf, welcher sich an einer Kühlmittel-Auslassseite der Brennstoffzelle 1 befindet. Der Kühler 52 kühlt das von der Brennstoffzelle 1 abgeführte Kühlmittel. Das Umschaltventil 54 ist beispielsweise durch ein Drehventil aufgebaut und schaltet den Kühlmittel-Durchlass zwischen dem Kühler 52 und dem Umgehungs-Strömungskanal 53 wie erforderlich.
  • Die Steuereinheit 600 ist durch einen Mikrocomputer mit einer CPU, einem ROM und einem RAM innerhalb diesem aufgebaut. Erfassungsinformationen der Sensoren (P1, P2, F1, F2, T1, T2), welche Druck, Temperatur und Strömungsrate des in den Leitungssystemen 300, 400, 500 strömenden Fluids erfassen, werden der Steuereinheit 600 eingegeben. Erfassungsinformationen eines Stromsensors 61, der den durch die Brennstoffzelle 1 erzeugten Stromwert erfasst, und ebenso Erfassungsinformationen eines Außenluft-Temperatursensors 62, eines Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 63 und eines Sensors für den Betrag des Niederdrückens eines Gaspedales werden ebenso der Steuereinheit 600 eingegeben. Die Steuereinheit 600 steuert die Vorrichtungen (Kompressor 33, Absperrventil 43, Injektor 45, Wasserstoffpumpe 46, Gas-Wasser-Abführventil 48, Kühlpumpe 50, Umschaltventil 54 usw.), die innerhalb des Systems 100 angeordnet sind, gemäß den Erfassungsinformationen der vorgenannten Typen und führt eine integrierte Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 durch. Die Steuereinheit 600 liest ebenso die Erfassungsinformationen von verschiedenen Typen, bestimmt die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge in der Brennstoffzelle 1 unter Verwendung von verschiedenen in dem ROM gespeicherten Kennfeldern, und veranlasst eine Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal 42 auf Basis der Bestimmungsergebnisse.
  • Wie in 7 gezeigt, ist die Steuereinheit 600 mit einer Speichereinheit 65, einer Erfassungseinheit 66, einer Bestimmungseinheit 67 und einer Betriebssteuereinheit 68 als funktionelle Blöcke zum Bestimmen der Wasserdampfmenge oder der Stickstoffgasmenge in der Brennstoffzelle 1, und zum Umsetzen der Steuerung auf Basis der Bestimmungsergebnisse vorgesehen. Die Speichereinheit 65 speichert verschiedene Programme oder verschiedene Kennfelder zum Ausführen der Bestimmung der Wasserdampfmenge oder der Stickstoffgasmenge in der Brennstoffzelle 1, und der Steuerung. Die Kennfelder werden im Vorhinein durch Tests oder Simulation gewonnen. Die Erfassungseinheit 66 liest die Erfassungsinformationen von verschiedenen Sensoren (P1, P2, F1, F2, T1, T2, 61 bis 63) aus. Die Betriebssteuereinheit 68 sendet Steuerbefehle an verschiedene Vorrichtungen auf Basis der Bestimmungsergebnisse, welche durch die Bestimmungseinheit 67 gewonnen werden, und führt eine Betriebssteuerung derart aus, dass die Brennstoffzelle 1 den gewünschten Betriebszustand (beispielsweise Wasserdampf-Zustand, Stickstoffgas-Zustand, Temperatur-Zustand usw.) annimmt. In diesem Fall führt die Betriebssteuereinheit 68 die Steuerung nach Bedarf zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite getrennt aus.
  • Die Bestimmungseinheit 67 bestimmt die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran 23 der Brennstoffzelle 1 und innerhalb des Reaktionsgas-Strömungskanals mit Bezug zu den in der Speichereinheit 65 angeordneten Kennfeldern auf Basis der Informationen, welche durch die Erfassungseinheit 66 erlangt bzw. erfasst werden. Die Bestimmungseinheit 67 bestimmt insbesondere die Verteilung der restlichen Wassermenge und die Wassergehaltverteilung in der Zellenebene der Einheitszelle 2 durch Berücksichtigen der Wasserbewegung, die zwischen den Elektroden 24A, 24B mittels der Elektrolytmembran 23 durchgeführt wird, als die Bestimmung der Wasserdampfmenge. Ferner bestimmt die Bestimmungseinheit 67 außerdem die Verteilung der restlichen Stickstoffgasmenge und die Stickstoffgasgehaltverteilung in der Zellenebene der Einheitszelle 2 durch Berücksichtigen der Stickstoffgasbewegung, die zwischen den Elektroden 24A, 24B mittels der Elektrolytmembran 23 durchgeführt wird, als die Bestimmung der Stickstoffgasmenge. Die Bestimmungseinheit 67 bestimmt außerdem die Verteilung der restlichen Wassermenge, die Wassergehaltverteilung und die Stickstoffgasmengenverteilung in der Stapelrichtung der Einheitszellen 2 (nachfolgend als Zellenstapelrichtung bezeichnet).
  • Der Ausdruck ”in der Zellenebene” bedeutet hier das Innere der Einheitszelle 2 in der Ebenenrichtung (Richtung, die zu der Blattoberfläche in 4 parallel ist, diese Richtung ist senkrecht zu der Zellenstapelrichtung) der Einheitszelle 2. Die ”restliche Wassermenge”, wie hier bezeichnet, bedeutet die Wasserdampfmenge, die innerhalb des Reaktionsgas-Strömungskanals der Einheitszelle 2 vorliegt. Der Reaktionsgas-Strömungskanal ist ein allgemeiner Name für den Wasserstoff-Strömungskanal 25A und den Luft-Strömungskanal 25B. Der ”Wassergehalt”, wie hier bezeichnet, bedeutet die Wasserdampfmenge, die in der Elektrolytmembran 23 der Einheitszelle 2 enthalten ist. Die ”Stickstoffgasmenge”, wie hier bezeichnet, bedeutet die Menge an Stickstoffgas, die innerhalb des Reaktionsgas-Strömungskanals der Einheitszelle 2 vorliegt.
  • C. Verfahren zum Bestimmen der Wasserdampfmenge in der Brennstoffzelle
  • Bei dem Bestimmungsverfahren der Wasserdampfmenge gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die restliche Wassermenge und der Wassergehalt separat bestimmt, und bei diesem Prozess wird die Verteilung der restlichen Wassermenge für die Anodenseite und die Kathodenseite separat bestimmt. Ferner wird bezüglich der restlichen Wassermenge und des Wassergehalts nicht nur die Verteilung in der Zellenebene bestimmt, sondern auch die Verteilung in der Zellenstapelrichtung. Zunächst wird das Bestimmungsverfahren der Wasserdampfverteilung (Verteilung der restlichen Wassermenge und Wassergehaltverteilung) in der Zellenebene nachfolgend beschrieben. Anschließend verdeutlicht die Erläuterung, wie das Spektrum der Temperatur und das Spektrum der Strömungsverteilung in der Zellenstapelrichtung zu berücksichtigen sind, wenn die Bestimmung durchgeführt wird, und dann wird das Bestimmungsverfahren der Wasserdampfverteilung in der Zellenstapelrichtung beschrieben.
  • 1. Bestimmungsverfahren für die Wasserdampfverteilung in der Zellenebene
  • Wie in 8 gezeigt ist, werden zunächst ein Stromwert I, eine Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i, eine Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i, eine Luft-Strömungsrate Qair,i, eine Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i, ein Luft-Gegendruck Pair,i, und ein Wasserstoffdruck PH2,i gelesen (Schritt S1).
  • Hierbei ist der Stromwert I der durch den Stromsensor 61 erfasste Wert. Der tiefgestellte Index ”i” bei der Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i usw. bedeutet ein Zellenkanal, der die Position der Einheitszelle 2 in dem Zellenstapel 3 angibt. Insbesondere ist der Zellenkanal ”i” der Endzellen 2a, welche der Zuführöffnung (entspricht den Zuführöffnungen 11a, 12a in 1) und der Abführöffnung (entspricht den Abführöffnungen 11b, 12b in 1) des Reaktionsgases am nächsten sind, 1, wenn der in 9 gezeigte Zellenstapel 3 als Modell verwendet wird. Wenn insgesamt 200 Einheitszellen 2 gestapelt werden, ist der Zellenkanal ”i” einer anderen Endzelle 2a 200.
  • Die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i und die Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i entsprechen jeweils der Kühlmitteltemperatur bei der Kühlmittel-Einlassöffnung 29a und der Kühlmitteltemperatur bei der Kühlmittel-Auslassöffnung 29b der Einheitszelle 2 (Zellenkanal: i). Die Luft-Strömungsrate Qair,i und die Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i entsprechen jeweils den Zuführ-Strömungsraten von Luft und Wasserstoffgas, welche in die Luft-Einlassöffnung 28a und die Wasserstoff Einlassöffnung 27a der Einheitszelle 2i strömen. Der Luft-Gegendruck Pair,i und der Wasserstoffdruck PH2,i entsprechen jeweils dem Druck von Luft und Wasserstoffgas an der Luft-Auslassöffnung 28b und der Wasserstoff-Einlassöffnung 27a der Einheitszelle 2. Wenn die Brennstoffzelle lediglich über eine Einheitszelle 2 verfügt oder wenn das Temperaturspektrum und das Spektrum der Strömungsverteilung in der Zellenstapelrichtung nicht berücksichtigt wird, wird Folgendes gewonnen.
    • Tin,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Temperatursensors T1 erhalten bzw. gewannen wird
    TOUT,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Temperatursensors T2 erhalten bzw. gewonnen wird
    Qair,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Strömungsratensensors F1 erhalten bzw. gewonnen wird
    QH2,i:
    Wasserstoff-Zuführ-Strömungsrate, welche von dem Erfassungswert, der mit Hilfe des Strömungsratensensors F2 erhalten bzw. gewonnen wird, bestimmt wird
    Pair,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Drucksensors P1 erhalten bzw. gewonnen wird
    PH2,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Drucksensors P2 erhalten bzw. gewonnen wird.
  • Wenn die Brennstoffzelle 1 eine Mehrzahl von Einheitszellen 2 aufweist, weichen die Wärmeemission und der Druckverlust abhängig von der Position in der Zellenstapelrichtung ab. Folglich besteht ein Spektrum der Wärmeemission und ein Spektrum der Reaktionsgas- und Kühlmittel-Strömungsverteilung über die Einheitszellen 2. Dadurch ist es wünschenswert, dass die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i verwendet wird, welche dieses Spektrum berücksichtigt. Dies wird später detailliert erläutert.
  • Werte, die durch andere Sensoren als die vorgenannten Sensoren, oder durch Berechnungen gewonnen bzw. erhalten werden, können ebenso als die Erfassungswerte verwendet werden, welche als die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i verwendet werden. In anderen Worten, ein Temperatursensor, ein Strömungsratensensor und ein Drucksensor können ebenso an anderen Positionen als den in 6 gezeigten vorgesehen sein, und die Anzahl und Positionen davon können treffend gestaltet und verändert werden. Beispielsweise kann der Wasserstoff-Strömungsratensensor nahe an der Wasserstoff-Zuführöffnung 11a der Brennstoffzelle 1 vorgesehen sein, und der Erfassungswert dieses Wasserstoff-Strömungsratensensors kann als die Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i verwendet werden. Ferner können die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i und die Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i auch durch Anbringen eines Temperatursensors an der Endzelle 2a oder den Endplatten 7a, 7b bestimmt werden. Dadurch kann die Wasserdampfverteilung durch Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels an sich, anstatt der Kühlmitteltemperatur, mit höherer Genauigkeit bestimmt werden.
  • In dem in 8 gezeigten Schritt S2 werden ein Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und ein Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN jeder Einheitszelle 2i aus der Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform kann die entsprechende Zellen-Einlass-Temperatur Tin,i als der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und der Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN verwendet werden, da in dem Brennstoffzellensystem 1 der Befeuchter 30 verwendet wird. Dadurch können die Temperaturen, wie nachfolgend gezeigt, dargestellt werden, und das Stapel-Spektrum des Taupunkts kann berücksichtigt werden, wenn sich die Luft-Einlassöffnung 28a und die Wasserstoff-Einlassöffnung 27a nahe der Kühlmittel-Einlassöffnung 29a befinden. Td,CA = Td,AN = Tin,i
  • Ferner können in Schritt S2 der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und der Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN jeder Einheitszelle 2i auch aus der Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i berechnet werden. Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform ein Taupunkt-Messgerät verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, wenn in dem Brennstoffzellensystem 1 kein Befeuchter verwendet wird oder wenn die Zellen-Einlass-Temperatur Tin,i nicht verwendet wird, entsprechende Taupunkt-Messgeräte bei den Stapel-Einlassöffnungen (anodenseitige Zuführöffnung 11a und kathodenseitige Zuführöffnung 12a) der Brennstoffzelle 1 anzuordnen, und die Erfassungswerte der Taupunkt-Messgeräte als den Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und den Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN einzustellen. In solch einem Fall kann eine exaktere Bestimmung durchgeführt werden.
  • Bei einem Luft-System ohne Befeuchtung, bei dem der Befeuchter 30 in dem Luft-Leitungssystem 300 nicht installiert ist, kann der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA auf 0°C berechnet werden. Alternativ kann der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA ebenso als ein Produkt aus Außenlufttemperatur und Außenfeuchtigkeit durch Verwenden der Außenluft- und Außenfeuchtigkeits-Sensoren berechnet werden. In anderen Worten, das vorliegende Bestimmungsverfahren kann ebenso auf ein System ohne Befeuchtung angewendet werden.
  • In dem in 8 gezeigten Schritt S3 wird eine Wasser-Übertragungsrate VH2O,CA→AN zwischen den Elektroden 24A, 24B bestimmt. Die Wasser-Übertragungsrate VH2O,CA→AN wird durch die folgende Formel berechnet. VH2O,CA→AN = DH2O × (PH2O,CA – PH2O,AN)
  • Hierbei ist PH2O,CA ein Partialdruck von Wasserdampf an der Seite der Elektrode 24B der Einheitszelle 2i und wird aus dem Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA berechnet. Ferner ist PH2O,AN ein Partialdruck von Wasserdampf an der Seite der Elektrode 24A der Einheitszelle 2i und wird aus dem Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN berechnet. DH2O ist ein Wasser-Diffusionskoeffizient in der Elektrolytmembran 23. Für DH2O kann ein konstanter Wert verwendet werden, da sich jedoch dieser Koeffizient abhängig von der Feuchtigkeit verändert, ist es vorzuziehen, dass diese Abhängigkeit berücksichtigt wird.
  • Wenn DH2O unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit bestimmt wird, kann beispielsweise ein charakteristisches Kennfeld, welches die Beziehung zwischen DH2O und relativer Feuchtigkeit der Elektrolytmembran 23 darstellt, wie in 10 gezeigt, im Vorhinein erzeugt werden, und der Wert von DH2O entsprechend der relativen Feuchtigkeit der Elektrolytmembran 23 kann unter Verwendung des charakteristischen Kennfelds verwendet werden. Insbesondere kann der Wert (β) von DH2O, der für die vorliegende Bestimmung verwendet wird, unter Verwendung einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, die während eines Abschalten in dem vorangegangenen Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt wird, einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, die in einem Bereitschafts-(Stopp)-Modus des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt wird, und einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, die unmittelbar vor der vorliegenden Bestimmung in dem Brennstoffzellensystem 1 bestimmt wird, aus dem Kennfeld bestimmt werden.
  • In dem in 8 gezeigten Schritt S4 wird eine Stromdichte ix (x ist ein beliebiger natürlicher Wert) durch Verwenden eines Kennfeldes von Wasser-Übertragungsrate VH2O,CA→AN, Taupunkt Td,CA, Taupunkt Td,AN, Temperatur TOUT,i, Luft-Gegendruck Pair,i, Wasserstoffdruck PH2,i, Luft-Strömungsrate Qair,i, Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i und Stromwert 1 berechnet. Die Stromdichte ix ist eine Stromdichte in irgendeinem Oberflächenbereich in der Zellenebene. Beispielsweise ist, falls jeder Oberflächenbereich bei x = 4 durch s1 bis s4 bezeichnet ist, dann I = i1 × s1 + i2 × s2 + i3 × s3 + i4 × s4. Ein Beispiel der Ergebnisse, die bei der Berechnung der Verteilung der Stromdichte ix gewonnen werden, ist in 11 gezeigt.
  • Ferner werden in Schritt S4 die Stromverteilung und die relative Feuchtigkeitsverteilung in der Zellenebene berechnet. Die Funktionen 1 und RH, welche diese Verteilungen darstellen, sind nachstehend dargelegt. Die Empfindlichkeit der Funktionen 1 und RH auf entsprechende Parameter (Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, Qair,i, VH2O,CA→AN, ix) wird im Vorhinein abgebildet. Ferner kann die Überspannungsverteilung in der Zellenebene ebenso aus diesen Parameter berechnet werden. I = f(Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, Qair,i, QH2,i, VH2O,CA→AN, ix) RH = f(Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, Qair,i, QH2,i, VH2O,CA→AN, ix)
  • 12 zeigt ein Beispiel der relativen Feuchtigkeitsverteilung (relative Feuchtigkeitsverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und der Elektrolytmembran) in der Zellenebene, die in Schritt S4 berechnet wurde. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Strömungskanalform eines Gegenstrom-Typs beispielhaft berücksichtigt, wie durch die Strömung von Wasserstoffgas und Luft in Relation zu der Position in der Zellenebene in 12 gezeigt ist. Wie in 12 gezeigt ist, übersteigt die relative Feuchtigkeit in dem Anoden-Strömungskanal (Wasserstoff-Strömungskanal 25A) 100%, und ein Übersättigungs-Zustand wird von der Wasserstoff-Einlassöffnung 27a in Richtung der Wasserstoff-Auslassöffnung 27b angenommen, wohingegen in dem Kathoden-Strömungskanal (Luft-Strömungskanal 25B) die relative Feuchtigkeit an der Luft-Auslassöffnung 28b niedriger als 100% ist. Ferner befindet sich der zentrale Abschnitt der Elektrolytmembran 23 in dem Übersättigungs-Zustand (zentraler Abschnitt der Einheitszelle 2).
  • In dem in 8 gezeigten Schritt S5 wird ein Übersättigungsgrad σ1 (Bruchteil der relativen Feuchtigkeit über 100%) und ein Untersättigungsgrad σ2 (Bruchteil der relativen Feuchtigkeit unter 100%) aus den Ergebnissen der relativen Feuchtigkeitsverteilung, die in 12 für die Anodenseite bzw. die Kathodenseite gezeigt ist, berechnet, und eine Erzeugungsrate Vvap→liq für flüssiges Wasser und eine Dampf-Erzeugungsrate Vliq→vap aus flüssigem Wasser werden durch die nachstehenden Gleichungen berechnet. Dadurch werden Vvap→liq und Vliq→vap in dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A und dem Luft-Strömungskanal 25B unter Berücksichtigung der Phasenveränderung von Wasser (Gasphase, flüssige Phase) in dem Reaktionsgas-Strömungskanal berechnet. Vvap→liq = k1 × σ1 Vliq→vap = k2 × σ2
  • Hierbei sind k1, k2 Faktoren, die von der Temperatur und der Hydrophobie abhängen und durch physikalische Eigenschaften des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt werden. Die Koeffizienten k1, k2 werden im Vorhinein auf Basis von Testergebnissen abgebildet.
  • In dem in 8 gezeigten Schritt S6 wird mit Bezug auf die Anodenseite und die Kathodenseite eine Wasser-Übertragungsrate V_liq in dem Reaktionsgas-Strömungskanal berechnet. Da flüssiges Wasser durch die Strömung von Reaktionsgas in dem Reaktionsgas-Strömungskanal von dem Inneren der Zellen-Oberfläche abgeblasen und gelöst wird, wird die Wasser-Übertragungsrate V_liq von sowohl dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A als auch dem Luft-Strömungskanal 25B unter Berücksichtigung dieses Effekts berechnet. V_liq = k3 x V_gas
  • Die Wasser-Übertragungsrate V_liq, wie hier bezeichnet, ist eine Übertragungsrate von flüssigem Wasser, das durch das Reaktionsgas abgeblasen wird. Ferner ist V_gas, wie hier bezeichnet, eine Wasserdampf Strömungsrate in dem Reaktionsgas-Strömungskanal, und ein Wert, der aus dem Kennfeld, welches sich auf die Zustands-Parameter, wie die Zufür-Strömungsrate des Reaktionsgases oder den Partialdruck von Wasserdampf bezieht, berechnet wird, wird hierfür verwendet. Der Koeffizient k3 ist ein Faktor, der von der Temperatur und der Hydrophobie abhängt und durch physikalische Eigenschaften des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt wird. Der Koeffizient k3 wird im Vorhinein auf Basis von Testergebnissen abgebildet.
  • 13 zeigt ein Beispiel der Verteilung der restlichen Wassermenge in der Zellenebene, die in den Schritten S4 bis S6 berechnet wird. Die Verteilung der restlichen Wassermenge wird durch Berücksichtigen der Variation von flüssigem Wasser innerhalb des Reaktionsgas-Strömungskanals (d. h., Vvap→liq, Vliq→vap und Vliq, die in den vorgenannten Schritten S5 und S6 berechnet werden) in der relativen Feuchtigkeitsverteilung (12) in dem Reaktionsgas-Strömungskanal, die in Schritt S4 berechnet wird, berechnet. Wie in 13 gezeigt, ist die restliche Wassermenge in dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A an der Seite der Wasserstoff Auslassöffnung 27b größer als diese an der Seite der Wasserstoff-Einlassöffnung 27a, und die restliche Wassermenge nimmt in dem Luft-Strömungskanal 25B bei einem Übergang in Richtung der Seite der Luft-Auslassöffnung 28b allmählich ab. Die Wassergehaltverteilung in der Zellenebene (in der Figur nicht gezeigt) kann aus der relativen Feuchtigkeitsverteilung (12) der Elektrolytmembran 23, die in Schritt S4 berechnet wird, bestimmt werden, und nähert sich der Verteilung der restlichen Feuchtigkeit an.
  • Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann die Variationsmenge (Wasserhaushalt) von restlicher Wassermenge und Wassergehalt in der Einheitszelle 2i in einem bestimmten Berechnungszeitintervall berechnet werden, und die Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A, die Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Luft-Strömungskanal 25B und die Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran 23 können bestimmt werden. Der Wasserhaushalt kann mit Hilfe einer Gitterweite bzw. Rauigkeit berechnet werden, die durch die Anzahl von Maschen bestimmt wird (beispielsweise fünf Maschen, wie in 13 gezeigt), die eine Empfindlichkeit in der Zellenebene aufweisen, und deren restliche Wassermenge und Wassergehalt (Wasserdampfmenge) wird erfasst, wobei die Position innerhalb der Zelle mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • 2. Berücksichtigung des Temperatur-Spektrums und des Strömungsverteilungs-Spektrums in der Zellenstapelrichtung bei der Bestimmung der Wasserdampfverteilung.
  • TIN,i, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, Qair,i, und QH2,i werden für jede Einheitszelle 2i in folgender Art und Weise bestimmt.
  • (1) Berechnung der Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur TIN,i
  • Wie in 14 gezeigt ist, werden zunächst die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur Tin, die Kühlmittel-Strömungsrate QLLC, die Außenlufttemperatur Tea und die Fahrzeuggeschwindigkeit Vvs gelesen (Schritt S11). Hierbei ist Tin ein Erfassungswert, der mit Hilfe des Temperatursensors T1 erhalten bzw. gewonnen wird. QLLC ist eine Strömungsrate von Kühlmittel, das der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird und kann aus der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 50 und anderen Erfassungswerten bestimmt werden. Alternativ kann ein Strömungsratensensor in dem Kühlmittel-Strömungskanal 51 vorgesehen sein, und ein Erfassungswert, der mit Hilfe des Strömungsratensensors gewonnen wird, kann verwendet werden. Tea ist ein Erfassungswert, der mit Hilfe des Außenluft-Temperatursensors 62 gewonnen wird, und Vvs ist ein Erfassungswert, der mit Hilfe des Fahrzeuggeschwindigkeitssensors 63 gewonnen wird.
  • In dem Zellenstapel 3 steigt gewöhnlich die Wärmeemissionsmenge mit der Entfernung von der Reaktionsgas-Zuführöffnung 14 an, d. h., mit dem Anstieg der Zellenkanal-Nummer ”i”. Ferner verändert sich der Effekt der Wärmeemission abhängig von der Kühlmittel-Strömungsrate, der Außenlufttemperatur und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Beispielsweise wird, wie in 15A gezeigt ist, die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN nicht durch die Wärmeemission beeinflusst, wenn die Kühlmittel-Strömungsrate QLLC hoch ist (Q1 > Q2). In anderen Worten, die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur TIN,i sinkt nicht unterhalb die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN. Ferner wird, wie in 15B gezeigt ist, die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN nicht durch die Wärmeemission beeinflusst, wenn Tea hoch ist (Tea1 > Tea2).
  • Dementsprechend wird die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur TIN,i als die nachfolgende Funktion unter Berücksichtigung solch einer Abnahme der Kühlmittel-Temperatur, welche durch die Wärmeemission hervorgerufen wird, berechnet (Schritt S12). TIN,i = f(QLLC, TIN, Tea, Vvs).
  • Die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur TIN,i entsprechend dem Zellenkanal i kann dadurch aus Werten der vorgenannten QLLC, TIN, Tea und Vvs bestimmt werden.
  • (2) Berechnung der Luft-Strömungsrate Qair,i und des Luft-Gegendrucks Pair,i
  • Wie in 16 gezeigt ist, werden zunächst die Luft-Strömungsrate Qair, der Luft-Gegendruck Pair, die Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN, die Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT und der Stromwert I gelesen (Schritt S21). Hierbei sind die Luft-Strömungsrate Qair, der Luft-Gegendruck Pair und die Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT die Erfassungswerte des Strömungsratensensors F1, des Drucksensors P1 bzw. des Temperatursensors T2. In Schritt S21 wird die Gasdichte der in den Verteiler 15a strömenden Luft als eine Funktion der Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN und der Luft-Strömungsrate Qair berechnet.
  • Im nächsten Schritt S22 wird eine P-Q-Charakteristik (Charakteristik, welche die Beziehung zwischen dem Luft-Gegendruck und der Luft-Strömungsrate darstellt) einer Einheitszelle 2i auf Basis der restlichen Wassermenge in der Einheitszelle 2i ermittelt. Beispielsweise wird, wie in 17 gezeigt ist, ein Kennfeld, welches die P-Q-Charakteristik (Druck-Strömungsraten-Charakteristik) entsprechend einer Mehrzahl von restlichen Wassermengen (x > y) angibt, im Vorhinein erlangt bzw. bestimmt, und eine P-Q-Charakteristik entsprechend der unmittelbar vorausgehenden restlichen Wassermenge (Gesamtmenge von restlichem Wasser an der Kathodenseite der Einheitszelle 2i), welche durch das in 8 gezeigte Flussdiagramm berechnet wird, wird ermittelt.
  • Dann werden die Zellen-Einlassöffnungs-Druckverteilung, die Zellen-Zufluss-Strömungsratenverteilung und die Zellen-Auslassöffnungs-Druckverteilung aus dem Kennfeld als Funktionen der Luft-Strömungsrate Qair, des Luft-Gegendrucks Pair, der Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT, der vorstehend berechneten Gasdichte und der P-Q-Charakteristik jeder Einheitszelle 2i berechnet (Schritt S23). Beispiele davon sind in den 18A bis 18C gezeigt. Die in 18B gezeigte Zellen-Zufluss-Strömungsrate und der in 18C gezeigte Zellen-Auslassöffnungs-Druck entsprechen der Luft-Strömungsrate Qair,i und dem Luft-Gegendruck Pair,i, entsprechend dem Zellenkanal i, und können dadurch ermittelt werden (S24).
  • Die Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i und der Wasserstoffdruck PH2,i der Einheitszelle 2i können ebenfalls durch ein Verfahren berechnet werden (diese Berechnung wird nicht detailliert beschrieben), das jenem zur Berechnung der Luft-Strömungsrate Qair,i und des Luft-Gegendrucks Pair,i ähnlich ist. In diesem Fall entspricht der in 18A gezeigte Zellen-Einlassöffnungs-Druck dem Wasserstoffdruck PH2,i, und die in 18B gezeigte Zellen-Zufluss-Strömungsrate entspricht der Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i und dadurch können der Zellen-Einlassöffnungs-Druck und die Zellen-Zufluss-Strömungsrate ermittelt werden.
  • (3) Berechnung der Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i
  • Wie in 19 gezeigt ist, wird zunächst eine Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT als ein Erfassungswert des Temperatursensors T2 gelesen (Schritt S31). Dann werden die Kühlmittel-Strömungsrate QLLC, die Außenlufttemperatur Tea und die Fahrzeuggeschwindigkeit Vvs in der gleichen Art und Weise, wie in dem vorstehend beschriebenen Fall der Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN, gelesen. Dann werden die Zellenspannung Vi und der Stromwert I gelesen und eine Wärme-Erzeugungsmenge Qcell,i jeder Einheitszelle 2i wird aus der I-V-Charakteristik für jede Einheitszelle 2i bestimmt.
  • In diesem Fall kann ein Spannungswert jeder Einheitszelle 2, welcher durch eine Zellen-Kontrollvorrichtung (in der Figur nicht gezeigt) erfasst wird, als die Zellenspannung Vi verwendet werden. Jedoch kann die Zellenspannung Vi auch durch Vorsehen eines I-V-Kennfeldes (abhängig von dem Betrag der erzeugten Elektrizität, der Luft-Strömungsrate, der Wasserstoff-Strömungsrate, des Luft-Gegendrucks und des Wasserstoffdrucks) für jede Einheitszelle 2i, d. h., ohne Verwendung eines Sensors, wie der Zellen-Kontrollvorrichtung, bestimmt werden. Die Wärme-Erzeugungsmenge Qcell,i hängt von der Wärmeerzeugung, welche durch TΔS ermittelt wird, und von dem durch Überspannung ermittelten Wärmeverlust ab.
  • Die Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT wird durch Wärmeemission, entsprechend der Position der Einheitszelle 2i in dem Zellenstapel 3, in der gleichen Art und Weise wie die vorstehend beschriebene Stapel-Einlassöffnungs-Temperatur TIN, beeinflusst. Beispielsweise wird, wie in 20 gezeigt ist, die Stapel-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT nicht durch Wärmeemission beeinflusst, wo die Kühlmittel-Strömungsrate QLLC höher ist (QLLC1 < QLLC2).
  • Entsprechend wird die Zellen-Auslassöffnungs-Temperatut TOUT,i als die nachfolgende Funktion mit Berücksichtigung der Kühlmittel-Strömungsrate QLLC,i und der Wärmeemission, zusätzlich zu der Wärme-Erzeugungsmenge Qcell,i berechnet (Schritt S32). TOUT,i = f(Qcell,i, QLLC,i, TOUT, Tea, Vvs).
  • Folglich ist es möglich, die Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i, entsprechend dem Zellenkanal i, aus den Erfassungswerten oder Bestimmungswerten, welche in diesen Parameter angegeben sind, zu ermitteln.
  • Die QLLC,i ist die Strömungsrate von Kühlmittel, welches jeder Einheitszelle 2 zugeführt wird, und berücksichtigt das Strömungsverteilungs-Spektrum bezüglich der vorstehend erwähnten Kühlmittel-Strömungsrate QLLC, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 als eine Einheit betrachtet wird. Insbesondere kann die dem Zellenkanal i entsprechende QLLC,i durch Erstellen eines Kennfeldes im Vorhinein, welches die Beziehung zwischen der Kühlmittel-Strömungsrate QLLC und dem Zellenkanal i für jede von mehreren Kühlmittel-Strömungsraten QLLC darstellt, und anschließendes Verwenden dieses Kennfeldes berechnet werden.
  • Gemäß den vorstehend erläuterten Verfahren der Abschnitte (1) bis (3) können Werte, welche die Temperaturverteilung (Spektrum der Wärmeemissionsmenge und dergleichen) und die Druckverlustverteilung (Spektrum der Strömungsverteilung von Oxidationsgas, Brenngas und Kühlmittel) in der Zellen-Stapelrichtung berücksichtigen, für die Zustandsparameter jeder Einheitszelle 2i in dem in 8 gezeigten Flussdiagramm (Schritte S1, S2 und S4) verwendet werden. Folglich können die Verteilung der restlichen Wassermenge und die Wassergehaltverteilung (Wasserdampfverteilung) für alle Einheitszellen 2 (d. h. in der Zellenstapelrichtung) mit höherer Genauigkeit bestimmt werden, als in dem Fall, bei dem die Brennstoffzelle 1 als eine Stapeleinheit betrachtet wird.
  • D. Bestimmungsverfahren für eine Stickstoffgasmenge in der Brennstoffzelle
  • Ein Verfahren zum Bestimmen einer Stickstoffgasmenge in der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Methode, welche jener des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Bestimmen der Wasserdampfmenge ähnlich ist. In diesem Fall wird die Stickstoffgasmengenverteilung für die Anodenseite und die Kathodenseite separat bestimmt. Ferner wird nicht nur die Verteilung in der Zellenebene, sonder auch die Verteilung in der Zellenstapelrichtung bestimmt. Zunächst wird ein Verfahren zum Bestimmen der Stickstoffgasverteilung in der Zellenebene beschrieben. Dann wird erläutert, wie das Temperatur-Spektrum und das Strömungsverteilungs-Spektrum in der Zellenstapelrichtung in der Bestimmung zu berücksichtigen sind, und es wird ein Verfahren zum Bestimmen der Stickstoffgasverteilung in der Zellenstapelrichtung erläutert.
  • 1. Bestimmungsverfahren für die Stickstoffgasverteilung in der Zellenebene.
  • Wie in 21 gezeigt ist, werden zunächst der Stromwert I, die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur TIN,i, die Zellen-Auslassöffnungs-Temperatur TOUT,i, die Luft-Strömungsrate (Qair,i (Sauerstoff-Strömungsrate QO2,i, Stickstoff-Strömungsrate QN2,CA,i, Sauerstoff:Stickstoff = 21:79), die Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i, die Stickstoff-Strömungsrate QN2,AN,i, der Luft-Gegendruck Pair,i und der Wasserstoffdruck PH2,i gelesen (Schritt S41).
  • Die Sauerstoff-Strömungsrate QO2,i und die Stickstoff Strömungsrate QN2,CA,i sind Zuführ-Strömungsraten von Sauerstoffgas und Stickstoffgas, welche in die Luft-Einlassöffnung 28a der Einheitszelle 2i strömen. Die Stickstoff-Strömungsrate QN2,AN,i ist eine Strömungsrate von Stickstoffgas, welches in die Wasserstoff-Einlassöffnung 27a der Einheitszelle 2i strömt. Wenn die Brennstoffzelle lediglich eine Einheitszelle 2 enthält, oder wenn das Temperatur-Spektrum und das Strömungsverteilungs-Spektrum in der Zellenstapelrichtung nicht berücksichtigt werden, ist jeder Wert, wie nachfolgend beschrieben ist.
    • Tin,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Temperatursensors T1 erhalten bzw. gewonnen wird
    TOUT,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Temperatursensors T2 erhalten bzw. gewonnen wird
    Qair,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Strömungsratensensors F1 erhalten bzw. gewonnen wird
    QH2,i:
    Wasserstoff-Zuführ-Strömungsrate, welche von dem Erfassungswert, der mit Hilfe des Strömungsratensensors F2 erhalten bzw. gewonnen wird, bestimmt wird
    Pair,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Drucksensors P1 erhalten bzw. gewonnen wird
    PH2,i:
    Erfassungswert, der mit Hilfe des Drucksensors P2 erhalten bzw. gewonnen wird
  • Die Sauerstoff-Strömungsrate QO2,i und die Stickstoff Strömungsrate QN2,CA,i werden durch das Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff in der Luft aus Qair,i ermittelt, was der mit Hilfe des Strömungsratensensors F1 gewonnene Erfassungswert ist.
  • Die Gas-Strömungsrate QAN,i des Gases, welches zu der Anodenseite strömt, ist eine Gesamtsumme der Wasserstoff-Strömungsrate QH2,i, der Stickstoff-Strömungsrate QN2,AN,i und der Wasserdampf-Strömungsrate QH2O,i, und kann durch eine Gesamtsumme der Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2,INJ von dem Injektor 45 und der Pump-Gas-Strömungsrate QPUMP, welche durch die Wasserstoffpumpe 46 geschaffen wird, ermittelt werden (Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2,INJ + Pump-Gas-Strömungsrate QPUMP).
  • Die Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2,INJ kann durch eine allgemeine Funktion f(P, Flag) ermittelt werden. In dieser Funktion ist P ein stromaufwärtiger Druck des Injektors 45 und Flag ist eine Injektor-Öffnungssignal.
  • Die Pump-Gas-Strömungsrate QPUMP kann durch eine allgemeine Funktion f(rpm, ΔP, T) ermittelt werden. In dieser Funktion wird ΔP durch Abbilden der Beziehung zu dem Stromwert der Pumpe durch vorausgehende Bestimmungen gewonnen. rpm ist eine Pumpen-Drehzahl, T ist eine Temperatur innerhalb der Pumpe.
  • Die Pumpen-Gas-Strömungsrate QPUMP wird durch die Strömungsraten von Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasserdampf gebildet. Das Verhältnis von Wasserstoffgas und Stickstoffgas in der Pump-Gas-Strömungsrate QPUMP kann aus der von der Pumpe verbrauchten Leistung ermittelt werden, und die Wasserdampf-Strömungsrate kann aus der Feuchtigkeitsmenge in der Wasserstoff-Auslassöffnung 27b, welche durch die vorstehend bestimmte Wasserdampfverteilung definiert ist, ermittelt werden. Dadurch können die Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2,PUMP, die Stickstoffgas-Strömungsrate QN2.PUMP und die Wasserdampf-Strömungsrate QH2O.PUMP innerhalb der Pump-Gas-Strömungsrate QPUMP gefunden werden. Dadurch kann die Gas-Strömungsrate QAN,i = Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2.INJ + Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2.PUMP + Stickstoffgas-Strömungsrate QN2.PUMP + Wasserdampf-Strömungsrate QH2O.PUMP gefunden werden, die Wasserstoff Strömungsrate QH2,i wird zu Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2.INJ + Wasserstoffgas-Strömungsrate QH2.PUMP, und die Stickstoff-Strömungsrate QN2,AN,i wird zu der Stickstoffgas-Strömungsrate QN2.PUMP.
  • Wenn die Brennstoffzelle 1 eine Mehrzahl von Einheitszellen 2 aufweist, besteht ein Spektrum in der Wärmeemissionsmenge und ein Spektrum der Reaktionsgas- und Kühlmittel-Strömungsverteilung über die Einheitszellen 2 in der Stapelrichtung. Dadurch ist es vorzuziehen, die Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i, welche diese Spektren berücksichtigt, zu verwenden. Ein Verfahren zum Berücksichtigen dieser Spektren wird nachfolgend beschrieben.
  • In dem in 21 gezeigten Schritt S42 werden der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und der Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN jeder Einheitszelle 2i aus der Zellen-Einlass-Temperatur Tin,i in der gleichen Art und Weise wie in dem vorstehend beschriebenen Schritt S2 berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Befeuchter 30 in dem Brennstoffzellensystem 1 verwendet. Dadurch kann die entsprechende Zellen-Einlassöffnungs-Temperatur Tin,i als der Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA und der Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN verwendet werden. Dadurch ist, wenn sich die Luft-Einlassöffnung 28a und die Wasserstoff-Einlassöffnung 27a nahe an der Kühlmittel-Einlassöffnung 29a befinden, die nachfolgende Gleichung gültig, und das Spektrum des Taupunkts in dem Stapel kann berücksichtigt werden. Td,CA = Td,AN = Tin,i
  • In dem in 21 gezeigten Schritt S43 wird die Stickstoff-Übertragungsrate VN2,CA→AN zwischen den Elektroden 24A, 24B ermittelt. Die Stickstoff-Übertragungsrate VN2,CA→AN wird durch die nachfolgende Formel berechnet. VN2,CA→AN = DN2 × (PN2,CA – PN2,AN)
  • Hierbei ist PN2,CA ein Stickstoffgas-Partialdruck an der Seite der Elektrode 24B der Einheitszelle 2i und wird aus dem Kathoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,CA berechnet. PN2,AN ist ein Stickstoffgas-Partialdruck an der Seite der Elektrode 24A der Einheitszelle 2i und wird aus dem Anoden-Einlassöffnungs-Taupunkt Td,AN berechnet. DN2 ist ein Stickstoff-Diffusionskoeffizient in der Elektrolytmembran 23. Für DN2 kann ein konstanter Wert verwendet werden, da DN2 jedoch von der Feuchtigkeit abhängt, ist es vorzuziehen, dass diese Abhängigkeit berücksichtigt wird.
  • Wenn DN2 unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit ermittelt wird, wird beispielsweise ein charakteristisches Kennfeld, welches die Beziehung zwischen DN2 und der relativen Feuchtigkeit der Elektrolytmembran 23 darstellt, wie in 22 gezeigt, im Vorhinein erstellt, und das Kennfeld kann dazu verwendet werden, den Wert von DN2 entsprechend der relativen Feuchtigkeit der Elektrolytmembran 23 zu finden. Insbesondere kann der Wert (β) von DN2, welcher für die vorliegende Bestimmung verwendet wird, durch Verwenden einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, welche während des Abschaltens in dem vorgehenden Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt wird, einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, welche in einem Standby-(Stopp)-Modus des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt wird, und einer relativen Feuchtigkeit α der Elektrolytmembran 23, welche unmittelbar vor der vorliegenden Bestimmung in dem Brennstoffzellensystem 1 bestimmt wird, aus dem Kennfeld ermittelt werden.
  • In dem in 21 gezeigten Schritt S44, wird eine Stromdichte ix (x ist ein beliebiger natürlicher Wert) durch Verwenden eines Kennfelds von der Stickstoffgasübertragungsrate VN2,CA→AN, dem Taupunkt Td,CA, dem Taupunkt der Temperatur TOUT,i, dem Luft-Gegendruck Pair,i, dem Wasserstoffdruck PH2,i, der Wasserstoff Strömungsrate QH2,i, der Stickstoff-Strömungsrate QN2,AN,i und dem Stromwert I berechnet. Die Stromdichte ix ist eine Stromdichte in irgendeinem Oberflächenbereich in der Zellenebene. Beispielsweise ist, falls jeder Oberflächenbereich bei x = 4 durch s1 bis s4 bezeichnet ist, darin I = i1 × s1 + i2 × s2 + i3 × s3 + i4 × s4. Ein Beispiel der Ergebnisse, welche beim Berechnen der Verteilung der Stromdichte ix gewonnen werden, ist in 23 gezeigt.
  • Ferner werden in Schritt S44 die Stromverteilung und die relative Feuchtigkeitsverteilung in der Zellenebene berechnet. Die Funktionen I und RH, welche diese Verteilungen darstellen, werden nachfolgend gezeigt. Die Empfindlichkeit der Funktionen I und RH auf entsprechende Parameter (Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, QH2,i, QN2,AN,i, VN2,CA→AN, ix) wird im Vorhinein abgebildet. Ferner kann die Überspannungsverteilung in der Zellenebene ebenso aus diesen Parametern berechnet werden. I = f(Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, QH2,i, QN2,AN,i, VH2O,CA→AN, VN2,CA→AN, ix) RH = f(Td,CA, Td,AN, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, QH2,i, QN2,AN,i, VH2O,CA→AN, VN2,CA→AN, ix)
  • In Schritt S44 wird DN2 durch Verwenden des in 22 gezeigten Kennfeldes aus der berechneten relativen Feuchtigkeit an einer vorbestimmten Position in dem Reaktionsgas-Strömungskanal ermittelt, VN2,CA→AN wird aus DN2 durch Verwenden der vorstehend beschriebenen Gleichung ermittelt, und unter Verwendung dieser VN2,CA→AN oder dergleichen wird eine relative Feuchtigkeit an noch einer weiteren Position aus der Funktion RH ermittelt. Beispielsweise wird die VN2,CA→AN für jede der in 24 gezeigten fünf Maschen durch Wiederholen des vorgenannten Verfahrens ermittelt, die ermittelte Rate VN2,CA→AN wird als die Stickstoffgasmenge neu berechnet, und schließlich wird die Stickstoffgasmengenverteilung in der Zellenebene berechnet.
  • Eine Variationsmenge der Stickstoffgasmenge (Stickstoffgashaushalt) der Einheitszelle 2i in einer bestimmten Berechnungszeit kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren berechnet werden, und die Stickstoffgasverteilung in dem Wasserstoff Strömungskanal 25A und die Stickstoffgasverteilung in dem Luft-Strömungskanal 25B kann ermittelt werden. Der Stickstoffgashaushalt kann mit Hilfe einer Gitterweite bzw. Rauigkeit berechnet werden, die durch die Anzahl von Maschen bestimmt wird (beispielsweise fünf Maschen, wie in 24 gezeigt), die eine Empfindlichkeit in der Zellenebene aufweisen, und deren Stickstoffgas wird erfasst, wobei die Position innerhalb der Zelle mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
  • TIN,i, TOUT,i, Pair,i, PH2,i, QO2,i, QN2,CA,i, QH2,i und QN2,AN,i für jede Einheitszelle 2i, bei welcher das Temperatur-Spektrum und das Strömungsverteilungs-Spektrum in der Zellenstapelrichtung berücksichtigt werden, können in der gleichen Art und Weise, wie in der vorstehend beschriebenen Bestimmung der Wasserdampfverteilung, ermittelt werden. QO2,i und QN2,CA,i jeder Zelle 2i können durch ein Verhältnis von Sauerstoffgas und Stickstoffgas aus Qair,i jeder Einheitszelle 2i, berechnet in der vorstehend beschriebenen Art und Weise, ermittelt werden.
  • Dadurch können Werte, welche die Temperaturverteilung (Spektrum der Wärmestrahlungsmenge und dergleichen) und die Druckverlustverteilung (Strömungsverteilungs-Spektrum von Oxidationsgas, Brenngas und Kühlmittel) in der Zellenstapelrichtung berücksichtigen, für Zustandsparameter jeder Einheitszelle 2i in dem in 21 gezeigten Flussdiagramm (Schritte S41, S42 und S44) verwendet werden. Folglich kann die Stickstoffgasmengenverteilung für alle der Einheitszellen 2 (d. h., in der Zellenstapelrichtung) mit höherer Genauigkeit bestimmt werden, als in dem Fall, bei dem die Brennstoffzelle 1 als eine Stapeleinheit betrachtet wird.
  • E. Steuerbeispiel, welches Bestimmungsergebnisse verwendet.
  • Ein Steuerbeispiel, welches die mit Hilfe des vorgenannten Bestimmungsverfahrens gewonnenen Bestimmungsergebnisse verwendet, wird nachstehend erläutert.
  • Bei dem Steuerbeispiel werden hochgenaue Bestimmungsergebnisse, welche mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Bestimmungsverfahrens gewonnen werden, verwendet, die Wasserdampfmenge und die Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran 23 und des Reaktionsgas-Strömungskanals, welche durch die Bestimmungseinheit 67 während des Betriebsstopps bei diskontinuierlichem Betrieb bestimmt wurden, werden mit Schwellen, die für jede vorbestimmte Position eingestellt werden, verglichen, und wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an wenigstens einer Position die vorbestimmte Schwelle überschreitet, wird eine Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal 42 durchgeführt und die Menge an Wasserdampf und Stickstoffgas innerhalb der Brennstoffzelle 1 wird reduziert. Die Schwelle für jede der vorbestimmten Positionen wird unter Berücksichtigung der Stapelrichtung der Einheitszellen 2 und der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt. Wenn sowohl die Wasserdampfmenge als auch die Stickstoffgasmenge an zumindest einer Position die vorbestimmten Schwellen überschreiten, kann die Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal 42 ebenfalls durchgeführt werden. Die Steuerung, welche sich auf eine solche Bearbeitung bezieht, wird durch die Betriebssteuereinheit 68 ausgeführt, welche ein Signal von der Bestimmungseinheit 67 empfangen hat
  • 25 ist ein Flussdiagramm des vorliegenden Steuerbeispiels. 26 und 27 sind Flussdiagramme, welche die Steuerzeit, zu welcher die Gaszirkulation während des Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs durchgeführt wird, zeigen.
  • Zunächst werden die Verteilungen der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge, d. h., der restlichen Wassermenge, des Wassergehalts und der Stickstoffgasmenge, an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran 23 der Brennstoffzelle 1 oder des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt. Die Bestimmung der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge wird kontinuierlich, diskontinuierlich oder periodisch durchgeführt. Dann wird ermittelt, ob der Betriebsstopp des diskontinuierlichen Betriebs festgestellt wird. Wenn der Betriebsstopp des diskontinuierlichen Betriebs festgestellt wird, wird die Wasserdampfmenge und die Stickstoffgasmenge an jeder vorbestimmten Position innerhalb der Elektrolytmembran 23 oder des Reaktionsgas-Strömungskanals mit entsprechenden Schwellen an diesen Positionen verglichen. Dann wird ermittelt, ob die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge die Schwelle an irgendeiner Position überschritten hat, d. h., ob Wasserdampf oder Stickstoffgas in einer Menge, die gleich oder größer der vorbestimmten Menge ist, innerhalb der Brennstoffzelle 1 erhalten ist. Wenn der Betriebsstopp des diskontinuierlichen Betriebs nicht festgestellt wird, wird die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge erneut bestimmt.
  • Die Schwellen bzw. Schwellenwerte für die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge werden unter Berücksichtigung der Stapelrichtung der Einheitszellen 2 und der Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals, gezeigt in 28, eingestellt. Das Zirkulationsgas kann insbesondere auf einfache Weise in der vorwärtigen Richtung der Stapelrichtung strömen, und kann nur schwer in der rückwärtigen Richtung strömen. Dadurch werden, wie in 29 gezeigt ist, verschiedene Schwellen für die Vorderseite und die tiefe Seite eingestellt, und die Schwelle an der tiefen Seite ist niedriger als an der Vorderseite. Ferner ist die Entfernung von der Seite der Auslassöffnung des Reaktionsgas-Strömungskanals (Wasserstoff-Strömungskanal 25A) zu der Abführseite kleiner als diese von der Seite der Einlassöffnung, wie in 28 gezeigt ist, und das Wasserdampfgas oder Stickstoffgas wird auf einfache Weise abgeführt. Dadurch ist, wie in 29 gezeigt ist, die Schwelle an der Seite der Auslassöffnung des Reaktionsgas-Strömungskanals höher als an der Seite der Einlassöffnung, wie in 29 gezeigt ist. Folglich kann die Abführung bei einem Abschnitt, wo der Wasserdampf und Stickstoffgas auf einfache Weise angesammelt werden, angemessen und zuverlässig durchgeführt werden.
  • Wenn ermittelt wird, dass die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an irgendeiner Position innerhalb der Elektrolytmembran 23 oder des Reaktionsgas-Strömungskanals die dieser Position entsprechende Schwelle überschreitet, wird die Wasserstoffpumpe 46 zu der in 26 und 27 gezeigten Steuerzeit in Betrieb genommen, und die Gaszirkulation in dem Zirkulation-Strömungskanal 42 wird durchgeführt. Folglich wird zusätzlicher Wasserdampf oder Stickstoffgas, welche sich innerhalb der Brennstoffzelle 1 befinden, von der Brennstoffzelle 1 abgeführt. In diesem Fall wird das Gas-Wasser-Abführventil 48 des Zirkulations-Strömungskanals 42 geöffnet und der zusätzliche Wasserdampf oder Stickstoffgas wird von dem Abführ-Strömungskanal 47 abgeführt. Die Wasserdampfmenge und die Stickstoffgasmenge werden dann erneut bestimmt, und wenn während des Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge gleich oder kleiner als die Schwelle ist, wird die Gaszirkulation gestoppt. Die Bestimmung der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge wird daraufhin wiederholt, die gewonnenen Ergebnisse werden mit der Schwelle verglichen und die Gaszirkulation wird durchgeführt, wenn die Schwelle bzw. der Schwellenwert überschritten wird.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird, wenn die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an irgendeiner Position innerhalb der Elektrolytmembran 23 der Brennstoffzelle 1 oder des Reaktionsgas-Strömungskanals eine Schwelle überschreitet, die für jede Position eingestellt wurde, Gas dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A zugeführt. Dadurch kann überschüssiger Wasserdampf oder Stickstoffgas zuverlässig daran gehindert werden, während des Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs, innerhalb der Brennstoffzelle 1 zu verbleiben. Folglich kann die unzureichende Reaktionsgas-Zuführung und der Abfall der Zellenspannung verhindert werden, wenn der nächste Betriebszyklus gestartet wird, um Leistung zu erzeugen, und der Brennstoffverbrauch kann verbessert werden. Ferner kann die Frequenz oder Steuerzeit der Gas-Zuführungs-Zyklen optimiert werden, da die Schwelle unter Berücksichtigung der Stapelrichtung der Einheitszellen 2 und der Strömungskanal-Richtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wird. Folglich kann die Menge an Wasserdampf oder Stickstoffgas wirkungsvoll reduziert werden, und zusätzliche Zuführung von Gas kann verhindert werden.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steht der Wasserstoff-Strömungskanal 25A mit dem Zirkulations-Strömungskanal 42, welcher dazu dient, das von der Brennstoffzelle 1 abgeführte Gas aufzunehmen bzw. zu verarbeiten und das aufgenommene bzw. verarbeitete Gas der Brennstoffzelle 1 zuzuführen, in Verbindung, und die Betriebssteuereinheit 68 führt die Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal 42 durch, wenn die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge die Schwelle überschreitet. Folglich können Wasserdampf und Stickstoffgas auf vorteilhafte Weise von der Brennstoffzelle 1 abgeführt werden.
  • Der Abführ-Strömungskanal 47, welcher nach außerhalb des Brennstoffzellensystems 100 führt, ist mittels des Gas-Wasser-Abführventils 48 mit dem Zirkulations-Strömungskanal 42 verbunden, und die Betriebssteuereinheit 68 öffnet während der Gaszirkulation das Gas-Wasser-Abführventil 48, und führt die Abführung von Wasserdampf und Stickstoffgas mittels des Abführ-Strömungskanals 47 durch. In solch einem Fall können Wasserdampf und Stickstoffgas wirkungsvoll abgeführt werden.
  • Die Bestimmungseinheit 67 bestimmt eine Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran 23 und eine Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Wasserstoff-Strömungskanal 25A und dem Luft-Strömungskanal 25B in der Zellenebene jeder Einheitszelle 2 unter Berücksichtigung der Wasserübertragung, die zwischen der Anodenelektrode 24A und der Kathodenelektrode 24B mittels der Elektrolytmembran 23 durchgeführt wird, als die Bestimmung der Wasserdampfmenge, und bestimmt eine Stickstoffgasverteilung in dem Wasserstoff Strömungskanal 25A und dem Luft-Strömungskanal 25B in der Zellenebene jeder Einheitszelle 2 unter Berücksichtigung der Stickstoffgasübertragung, die zwischen der Anodenelektrode 24A und der Kathodenelektrode 24B mittels der Elektrolytmembran 23 durchgeführt wird, als die Bestimmung der Stickstoffgasmenge. In solche einem Fall wird die Wasserübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt und dadurch kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit der Wasserdampfmenge sichergestellt werden. Da die Stickstoffgasübertragung zwischen den Elektroden berücksichtigt wird, kann eine hohe Bestimmungsgenauigkeit der Stickstoffgasmenge sichergestellt werden. Zusätzlich kann, da durch Verwenden der Ergebnisses von solch hoher Bestimmungsgenauigkeit Gas veranlasst wird zu strömen, die Steuerzeit und Frequenz davon optimiert werden. Infolgedessen können Wasserdampf und Stickstoffgas wirkungsvoll abgeführt werden.
  • Ferner kann die Abführ-Steuerung von Wasserdampf oder Stickstoffgas nicht nur beispielsweise durch eine EIN/AUS-Steuerung der Wasserstoffpumpe 46 durchgeführt werden, sondern ebenso durch Verändern der Steuermenge und Steuerzeit gemäß der Position, an welcher der Wasserdampf oder Stickstoffgas verbleiben, oder ein Betrag davon. Bei dem in 30 gezeigten Graphen ist eine Steuermenge (d. h., Drehzahl) der Wasserstoffpumpe 46 auf der Ordinate aufgetragen und eine Steuerzeit (d. h., Rotationszeit) der Wasserstoffpumpe 46 ist auf der Abszisse aufgetragen. Kurven L1 bis L3 in 30 sind Steuerlinien der Wasserstoffpumpe 46, die für die Gaszirkulation verwendet werden, welche der Menge von Wasserdampf und Stickstoffgas, oder der Position in der Zellenstapelrichtung oder der Reaktionsgas-Strömungskanalrichtung entsprechen. Beispielsweise wird, wenn die Menge an Wasserdampf oder Stickstoffgas vergleichsweise groß ist, die Steuerlinie L3 verwendet, und wenn die Menge von Wasserdampf oder Stickstoffgas vergleichsweise klein ist, wird die Steuerlinie L1 verwendet. Ferner wird, wenn die Position, an der sich der Wasserdampf oder Stickstoffgas befindet, nahe der tiefen Seite der Zellenstapelrichtung oder dem Gas-Einlassabschnitt (27a, 28a) in der Zellenebene ist, die Steuerlinie L3 verwendet. Umgekehrt wird die Steuerlinie L1 verwendet, wenn sich die Position, an der sich Wasserdampf oder Stickstoffgas befinden, an einem Standort mit hoher Abführ-Fähigkeit befindet. Mit solch einem Verfahren kann die Effizienz des Gaszirkulations-Vorganges gesteigert werden und der Brennstoffverlust kann durch Antreiben der Wasserstoffpumpe 46 auf ein Minimum reduziert werden. Bei einem weiteren Beispiel kann entweder die Steuermenge oder die Steuerzeit der Wasserstoffpumpe 46 variabel sein.
  • Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorstehend mit Bezug zu der beigefügten Zeichnung erläutert, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Es ist klar, dass für einen Fachmann verschiedene Variationsbeispiele oder Modifikationsbeispiele denkbar sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, abzuweichen, und diese Variationsbeispiele und Modifikationsbeispiele sind offensichtlich so auszulegen, dass diese dem technischen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zugehören.
  • Beispielsweise wird in der vorstehenden Ausführungsform die Gaszirkulation an der vorgenannten Anodenseite durchgeführt, jedoch kann überschüssiger Wasserdampf oder Stickstoffgas auch durch Hervorrufen der Gasströmung an der Kathodenseite abgeführt werden. In diesem Fall ist es möglich, beispielsweise den Kompressor 33 zu betätigen, die Luft dem Luft-Strömungskanal 25B der Brennstoffzelle 1 mittels des Zuführ-Strömungskanals 31 zuzuführen, und die Luft von dem Abführ-Strömungskanal 32 abzuführen. Bei solch einer Art und Weise kann die Menge von Wasserdampf oder Stickstoffgas innerhalb der Brennstoffzelle 1 ebenso gesenkt werden. Ferner kann ebenso bewirkt werden, dass Gas sowohl zu der Anodenseite als auch zu der Kathodenseite strömt. Ferner wird in der vorgenannten Ausführungsform das Gas durch die Gaszirkulation zu der Brennstoffzelle geführt, jedoch ist das Hervorrufen der Zirkulation keine zwingende Bedingung, und die vorliegende Erfindung kann ebenso bei Fällen angewendet werden, bei denen keine Zirkulation durchgeführt wird.
    • 1: Brennstoffzelle, 2: Einheitszelle, 2a: Hauptzelle, 2b: Endzelle, 23: Elektrolytmembran, 24A: Anodenelektrode, 24B: Kathodenelektrode, 25A: Wasserstoff-Strömungskanal (Brenngas-Strömungskanal), 25B: Luft-Strömungskanal (Oxidationsgas-Strömungskanal), 67: Bestimmungseinheit, 68: Betriebssteuereinheit, 100: Brennstoffzellensystem, 300: Luft-Leitungssystem, 400: Wasserstoff-Leitungssystem, 500: Kühlmittel-Leitungssystem, 600: Steuereinheit.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode positionierte Elektrodenmembran, und einen Reaktionsgas-Strömungskanal aufweisen, ausgebildet ist, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: eine Bestimmungseinheit, die eine Wasserdampfmenge und eine Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran und/oder des Reaktionsgas-Strömungskanals bestimmt; und eine Betriebssteuereinheit, die während eines Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge an jeder der vorbestimmten Positionen, welche durch die Bestimmungseinheit bestimmt wurden, mit einem Schwellenwert für jede der vorbestimmten Positionen, die unter Berücksichtigung einer Stapelrichtung der Einheitszellen und einer Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wurde, vergleicht, und ein Gas, das Wasserstoffgas enthält, dem Reaktionsgas-Strömungskanal zuführt, und Wasserdampf und Stickstoffgas von innerhalb der Brennstoffzelle abführt, wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge die Schwelle an wenigstens einer der Positionen übersteigt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Reaktionsgas-Strömungskanal mit einem Zirkulations-Strömungskanal in Verbindung steht, welcher das von der Brennstoffzelle abgeführte Gas aufnimmt, und das aufgenommene Gas der Brennstoffzelle zuführt; und die Betriebssteuereinheit eine Gaszirkulation in dem Zirkulations-Strömungskanal durchführt, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei ein Abführ-Strömungskanal, der nach außerhalb des Brennstoffzellensystems führt, mittels eines Öffnungs-/Schließventils mit dem Zirkulations-Strömungskanal verbunden ist; und die Betriebssteuerung das Öffnungs-/Schließventil öffnet und die Abführung von Wasserdampf und Stickstoffgas mittels des Abführ-Strömungskanals durchführt.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bestimmungseinheit als Bestimmung der Wasserdampfmenge eine Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und eine Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran in einer Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Wasserübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, bestimmt, und als Bestimmung der Stickstoffgasmenge eine Stickstoffgasverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal in der Zellenebene jeder der Einheitszellen unter Berücksichtung der Stickstoffgasübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, bestimmt.
  5. Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem Zellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen, die jeweils eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode, eine zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode positionierte Elektrodenmembran, und einen Reaktionsgas-Strömungskanal aufweisen, ausgebildet ist, wobei das Betriebsverfahren aufweist: einen Schritt des Bestimmens einer Wasserdampfmenge und einer Stickstoffgasmenge an einer Mehrzahl von vorbestimmten Positionen innerhalb der Elektrolytmembran und/oder des Reaktionsgases-Strömungskanals; und einen Schritt des Vergleichens von zumindest entweder der Wasserdampfmenge oder der Stickstoffgasmenge an jeder der vorbestimmten Positionen, welche durch die Bestimmungseinheit bestimmt wurden, mit einem Schwellenwert für jede der vorbestimmten Positionen, die unter Berücksichtigung einer Stapelrichtung der Einheitszellen und einer Strömungskanalrichtung des Reaktionsgas-Strömungskanals eingestellt wurde, während eines Betriebsstopps des diskontinuierlichen Betriebs, und des Zuführens eines Gases, welches Wasserstoffgas enthält, zu dem Reaktionsgas-Strömungskanal, und des Abführens von Wasserdampf und Stickstoffgas von innerhalb der Brennstoffzelle, wenn zumindest entweder die Wasserdampfmenge oder die Stickstoffgasmenge den Schwellenwert an wenigstens einer der Positionen überschreitet.
  6. Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei eine Gaszirkulation durchgeführt wird, bei der das Gas, welches von dem Reaktionsgas-Strömungskanal der Brennstoffzelle abgeführt wird, aufgenommen und dem Reaktionsgas-Strömungskanal der Brennstoffzelle zugeführt wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird.
  7. Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei während der Gaszirkulation Wasserdampf und Stickstoffgas mittels eines Abführ-Strömungskanals, der mit einem Zirkulations-Strömungskanal verbunden ist, in welchem die Gaszirkulation durchgeführt wird, abgeführt werden.
  8. Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Schritt des Bestimmens der Wasserdampfmenge und der Stickstoffgasmenge, als Bestimmung der Wasserdampfmenge, Bestimmen einer Verteilung der restlichen Wassermenge in dem Reaktionsgas-Strömungskanal und einer Wassergehaltverteilung in der Elektrolytmembran in einer Zellenebene von jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Wasserübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, enthält, und als Bestimmung der Stickstoffgasmenge, Bestimmen einer Stickstoffgasverteilung in dem Reaktionsgas-Strömungskanal in der Zellenebene von jeder der Einheitszellen unter Berücksichtigung der Stickstoffgasübertragung, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode mittels der Elektrolytmembran durchgeführt wird, enthält.
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