DE112011102754B4 - Brennstoffzellensystem und steuerverfahren für brennstoffzellensystem zur vermeidung einer lokalen funktionsminderung der membran-elektroden-anordnung - Google Patents

Brennstoffzellensystem und steuerverfahren für brennstoffzellensystem zur vermeidung einer lokalen funktionsminderung der membran-elektroden-anordnung Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit:einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (12), in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, die aus einem festen Polymer gebildet ist;einem Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang einer Oberfläche der Anode strömen kann;einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang einer Oberfläche der Kathode strömen kann;einer Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40), die durch den Brenngas-Strömungskanal Brenngas zur Anode liefert und Anodenabgas, das aus der Anode ausgeführt wird, ausführt; undeine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40), die durch den Oxidationsgas-Strömungskanal Oxidationsgas zur Kathode liefert und Kathodenabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, ausführt,wobei das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner aufweist:ein Rahmenelement (14), das an einem äußeren Randabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (12) vorgesehen ist;einen ersten Temperatursensor (14a), der an einem ersten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist, und der verwendet wird, um die Temperatur eines ersten Abschnitts zu erfassen;einen zweiten Temperatursensor (14b), der an einem zweiten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist, dessen Temperatur höher ist als die des ersten Rahmenelements, und der verwendet wird, um eine Temperatur des zweiten Abschnitts zu erfassen; undeine Steuereinheit (70), die dafür ausgelegt ist, umzu bestimmen, ob in der Brennstoffzelle ein Phänomen auftritt, wonach in Folge einer Wasserverteilung, einschließlich einer Verteilung eines Wassergehalts innerhalb einer Ebene der Elektrolytmembran, einer Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und einer Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung (12) auftritt, bei welcher die erzeugte Leistungsmenge pro Flächeneinheit lokal einen zulässigen Wert überschreitet; unddie Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so zu steuern, dass das Phänomen beseitigt wird, wenn die Steuereinheit (70) bestimmt, dass das Phänomen auftritt, wobeidie Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie bestimmt, ob ein Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und,wenn der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts kleiner wird als oder gleich groß wird wie der vorgegebene Schwellenwert.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas erzeugt, ist eine interessante Energiequelle. Die Brennstoffzelle beinhaltet eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, in der eine Polymerelektrolytmembran als Elektrolytmembran verwendet wird. Für die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle wird im Allgemeinen eine Membran-Elektroden-Anordnung verwendet, in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen der Elektrolytmembran gebunden sind. Um eine gewünschte Effizienz der Leistungserzeugung zu erhalten, ist es notwendig, die Elektrolytmembran in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle in einem angemessenen feuchten Zustand zu halten, um dadurch die Protonenleitfähigkeit der Elektrolytmembran auf angemessene Weise aufrechtzuerhalten.
  • In solch einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle kommt es während der Leistungserzeugung zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Wassergehalts (einer ungleichmäßigen Verteilung des feuchten Zustands) innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran der Membran-Elektrodenanordnung, und die ungleichmäßige Verteilung des Wassergehalts kann eine ungleichmäßig verteilte Leistungserzeugung bewirken. Wenn es dazu kommt, dass der Wassergehalt an irgendeiner Stelle innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran nicht ausreicht, kann die Menge der erzeugten Leistung pro Einheitsfläche in einer anderen Region, wo der Wassergehalt nicht unzureichend ist, einen zulässigen Wert überschreiten. Im Folgenden wird die Tatsache, dass die Menge der erzeugten Leistung pro Einheitsfläche in der Membran-Elektroden-Anordnung lokal einen zulässigen Wert überschreitet, als „lokal konzentrierte Leistungserzeugung“ oder „lokale Konzentration der Leistungserzeugung“ bezeichnet. Die Konzentration der Leistungserzeugung führt zu einer lokalen Funktionsminderung bzw. Schädigung der Membran-Elektroden-Anordnung. Außerdem kann es beispielsweise in einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang der Oberfläche der Kathode strömen kann, zu einer ungleichmäßig verteilten Leistungserzeugung kommen, die durch eine ungleichmäßige Verteilung von Restwasser, das während der Leistungserzeugung produziert wird und als Flüssigkeit zurückbleibt, verursacht wird. Wenn im Oxidationsgas-Strömungskanal lokal ein Überschuss an Restwasser vorhanden ist, reicht das Oxidationsgas, das zu einer Teilregion der Kathode geliefert wird, nicht mehr aus, so dass sich die Leistungserzeugung lokal in einer anderen Region konzentriert, wo das zugeführte Oxidationsgas nicht unzureichend ist, was zu einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung führt. Dasselbe gilt für einen Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang der Oberfläche der Anode strömen kann. Das heißt, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund einer Wasserverteilung (der oben beschriebenen Verteilung des Wassergehalts und Verteilung von Restwasser) innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung führt zu einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung. Außerdem bewirkt eine ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung auch eine ungleichmäßig verteilte Leistungserzeugung und führt daher zu einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung. Die lokale Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung führt zu einer frühzeitigen Funktionsminderung der Brennstoffzelle als Ganzes.
  • Es wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen, um eine verteilte Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung gleichmäßig zu machen. Beispielsweise beschreibt die japanische Patentanmeldung JP 2007-317 553 A eine Technik für ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Temperatur-Messeinrichtung und eine Zellenspannung-Messeinrichtung entlang einer Richtung, in der Oxidationsgas innerhalb einer Leistungserzeugungsebene einer Zelle (Brennstoffzelle) strömt, an mindestens zwei Positionen innerhalb der Ebene der Leistungserzeugung vorgesehen sind, eine ungleichmäßig verteilte Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Leistungserzeugung auf Basis eines Temperaturunterschieds, der von der Temperatur-Messeinrichtung gemessen wird, und eines Spannungsunterschieds, der von der Zellenspannung-Messeinrichtung gemessen wird, ermittelt wird und dann die Menge an Kühlmittel oder Oxidationsgas, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, umso mehr erhöht wird, je ungleichmäßiger verteilt die Leistungserzeugung ist. Die JP 2007-317 553 A beschreibt, dass es mit der beschriebenen Technik möglich ist, den Einfluss eines Temperaturanstiegs aufgrund einer lokalen Stromkonzentration innerhalb der Ebene der Leistungserzeugung, der aus einer deutlich ungleichmäßig verteilten Leistungserzeugung resultiert, zu verringern.
  • Jedoch wird in der Technik, die in JP 2007-317 553 Abeschrieben ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen einer Wasserverteilung, wie oben beschrieben, nicht berücksichtigt. Außerdem sind in der Technik, die in JP 2007-317 553 A beschrieben ist, die Temperatur-Messeinrichtung und die Zellenspannung-Erfassungseinrichtung innerhalb der Ebene der Leistungserzeugung der Zelle vorgesehen, so dass das Problem besteht, dass der Aufbau der Brennstoffzelle komplex ist oder die Temperatur-Messeinrichtung und die Zellenspannung-Erfassungseinrichtung das Gas behindern, das in der Leistungserzeugungsebene strömt.
  • Daneben sind aus der DE 199 30 876 A1 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Feststellung der Temperatur bekannt. Bei der in der DE 199 30 876 A1 offenbarten Technologie wird zumindest an einem Meßort wie einer Stelle und/oder einem Bereich eines Brennstoffzellenstacks und/oder einer Brennstoffzelleneinheit die Temperatur erfaßt. Diese erfasste Temperatur wird an eine Recheneinheit für eine Modellrechnung weitergegeben, wobei die Recheneinheit dann die Temperaturverteilung des Stacks mit Hilfe einer Modellrechnung bestimmt und diese Information an ein Steuergerät weitergibt, über das die Temperatur im Stack regelbar ist.
  • Die DE 11 2008 001 769 T5 offenbart schließlich ein Brennstoffzellensystem mit einer Elektrolytmembran, einer auf einer Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Oxidanselektrode und einer auf der anderen Seite der Elektrolytmembran vorgesehene Brennstoffelektrode, in denen ein Oxidansgasströmungskanal zur Zufuhr eines Oxidansgases längs einer Fläche der Oxidanselektrode und ein Brenngasströmungskanal zur Zufuhr von Brenngas längs einer Fläche der Brennstoffelektrode derart vorgesehen sind, daß die Strömungsrichtung des Oxidansgases und jene des Brenngases einander entgegengesetzt sind. Das Brennstoffzellensystem besitzt eine Steuereinheit, die die Steuerung des zunehmenden Durchflusses des im Brenngasströmungskanal strömenden Brenngases steuert, falls die Elektrolytmembran trocken ist.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bildet ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem aus, die einer lokale Funktionsminderung einer Membran-Elektroden-Anordnung, die aus einer lokalen Konzentration einer Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung aufgrund einer Wasserverteilung in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle resultiert, entgegenwirken.
  • Die Erfindung soll zumindest einen Teil der oben beschriebenen Probleme lösen und kann in den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen implementiert werden.
  • Ein Aspekt der Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das aufweist: eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, welche aus einem festen Polymer gebildet ist, einem Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang einer Oberfläche der Anode strömen kann, und einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang einer Oberfläche der Kathode strömen kann; eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas, die über den Brenngas-Strömungskanal Brenngas zur Anode liefert und Anodenabgas, das aus der Anode ausgeführt wird, ausführt; und eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas, die über den Oxidationsgas-Strömungskanal Oxidationsgas zur Kathode liefert und Kathodenabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, ausführt.
  • Das Brennstoffzellensystem weist weiter auf: ein Rahmenelement, das an einem äußeren Randabschnitt bzw. Außenrandabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen ist; einen ersten Temperatursensor, der an einem ersten Abschnitt des Rahmenelements vorgesehen ist und der verwendet wird, um eine Temperatur des ersten Abschnitts zu erfassen; und einen zweiten Temperatursensor aufweisen, der an einem zweiten Abschnitt des Rahmenelements vorgesehen ist, welcher eine höhere Temperatur aufweist als der erste Abschnitt, und der verwendet wird, um eine Temperatur des zweiten Abschnitts zu erfassen.
  • Zudem hat das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit, die dafür ausgelegt ist zu bestimmen, ob in der Brennstoffzelle ein Phänomen auftritt, wonach in Folge einer Wasserverteilung, einschließlich einer Verteilung eines Wassergehalts innerhalb einer Ebene der Elektrolytmembran, einer Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und einer Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung auftritt, bei welcher die erzeugte Leistungsmenge pro Flächeneinheit lokal einen zulässigen Wert überschreitet. Die Steuereinheit ist dafür ausgelegt, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so zu steuern, dass das Phänomen beseitigt wird, wenn die Steuereinheit bestimmt, dass das Phänomen auftritt.
  • Dabei ist die Steuereinheit so gestaltet, dass sie bestimmt, ob ein Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, und, wenn der Unterschied zwischen der Temperatur des ersten Abschnitts und der Temperatur des zweiten Abschnitts größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts kleiner wird als oder gleich große wird wie der vorgegebene Schwellenwert.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem kann einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung, die aus einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung aufgrund einer Wasserverteilung resultiert, entgegengewirkt werden.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung erzeugt während der Leistungserzeugung Wärme durch die elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas, und die erzeugte Wärme geht auf das Rahmenelement über. Wenn es zu keiner lokalen Konzentration der Leistungserzeugung wegen der Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung kommt, ist die Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung relativ klein. Daher ist eine Ungleichmäßigkeit der Temperaturverteilung bzw. ungleichmäßige Temperaturverteilung im Rahmenelement ebenfalls relativ klein. Wenn dagegen eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund der Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung vorliegt, nimmt die erzeugte Wärme lokal zu, so dass es zu einer relativ stark ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung kommt. Daher liegt auch eine relativ stark ungleichmäßige Temperaturverteilung im Rahmenelement vor.
  • Wenn in dem solchermaßen aufgebauten Brennstoffzellensystem der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts im Rahmenelement größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann bestimmt werden, dass eine Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung vorliegt. Durch einfache Berechnung kann bestimmt werden, ob eine Konzentration der Leistungserzeugung vorliegt (ob ein Phänomen vorliegt, das aus der Konzentration der Leistungserzeugung resultiert). Die Konzentration der Leistungserzeugung kann beseitigt werden. Wenn der Schwellenwert auf einen relativ kleinen Wert eingestellt wird, kann außerdem eine Konzentration der Leistungserzeugung vermieden werden.
  • Außerdem sind beim solchermaßen aufgebauten Brennstoffzellensystem der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor nicht in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen, sondern für das Rahmenelement vorgesehen, und daher kann im Unterschied zu einem Fall, wo der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen sind, ein komplexer Aufbau der Brennstoffzelle vermieden werden, und es kann vermieden werden, dass der Gasstrom an den Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung gestört wird.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem ferner so gestaltet sein, dass sie in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und und die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas zumindest einen Steuerwert für die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas auf der Basis eines Unterschieds zwischen dem vorgegebenen Schwellenwert und dem Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts bestimmt.
  • Bei dem Steuerwert kann es sich um verschiedene Parameter handeln, beispielsweise eine Strömungsrate von Oxidationsgas, das zur Kathode geliefert wird, einen Gegendruck des Kathodenabgases, eine Strömungsrate eines Brenngases, das zur Anode geliefert wird, und einen Zeitraum, über den diese Steuerungen fortgesetzt werden.
  • Wenn aufgrund der Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung vorliegt, steigt die erzeugt Wärme lokal an, wie oben beschrieben, und daher kommt es zu einer relativ stark ungleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung. Daher liegt im Rahmenelement eine relativ stark ungleichmäßige Temperaturverteilung vor. Wenn der Grad der Konzentration der Leistungserzeugung zunimmt, nimmt ferner eine ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu.
  • In dem solchermaßen aufgebauten Brennstoffzellensystem ist der ermittelte Grad der lokalen Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund einer Wassergehaltsverteilung innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran größer, wenn der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts in Bezug auf den Schwellenwert größer ist. Die Steuereinheit bestimmt in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas einen Steuerwert für zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas, um den lokal unzureichenden Wassergehalt zu beseitigen, auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung, das heißt des Unterschieds zwischen dem vorgegebenen Schwellenwert und dem Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts. Somit kann die Konzentration der Leistungserzeugung im Gegensatz zu dem Fall, dass der Steuerwert nicht auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung eingestellt wird, sondern auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, wirksamer und schneller eliminiert werden. Infolgedessen wird weniger Energie für die Steuerung benötigt, und einer Abnahme der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems kann entgegengewirkt werden.
  • Außerdem kann der erste Abschnitt in dem Brennstoffzellensystem ein Abschnitt sein, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus das Oxidationsgas in die Kathode eingeführt wird, und der zweite Abschnitt kann ein Abschnitt sein, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus das Kathodenabgas aus der Kathode ausgeführt wird.
  • Hierbei kann der „Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus das Oxidationsgas in die Kathode eingeführt wird“ beispielsweise ein Abschnitt sein, der in Strömungsrichtung des Oxidationsgases im obersten Viertel liegt. Außerdem kann der „Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus das Kathodenabgas aus der Kathode ausgeführt wird“ beispielsweise ein Abschnitt sein, der in Strömungsrichtung des Oxidationsgases im untersten Viertel liegt.
  • Innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung kommt es umso leichter zu einem unzureichenden Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran, je näher der Abschnitt liegt, von dem aus das Oxidationsgas in die Kathode eingeführt wird; wohingegen es umso schwerer zu einem unzureichenden Wassergehalt in der Ebene der Elektrolytmembran kommt, je näher der Abschnitt liegt, von dem aus das Kathodenabgas aus der Kathode ausgeführt wird. Innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung wird daher die Wärme, die während der Leistungserzeugung entsteht, umso weniger und die Temperatur wird umso niedriger, je näher der Abschnitt liegt, von dem aus das Oxidationsgas in die Kathode eingeführt wird; wohingegen die Wärme, die während der Leistungserzeugung entsteht, umso mehr wird und die Temperatur umso höher wird, je näher ein Abschnitt liegt, von dem aus das Kathodenabgas aus der Kathode ausgeführt wird.
  • Bei dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem ist der erste Abschnitt der Abschnitt, der an den Abschnitt angrenzt, an dem die Temperatur innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung unschwer sinkt, und der zweite Abschnitt ist der Abschnitt, der an den Abschnitt angrenzt, an dem die Temperatur innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung unschwer steigt, so dass der Temperaturunterschied zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt relativ groß ist. Somit kann eine nachteilige Auswirkung der Erfassungsfehler der ersten und zweiten Temperatursensoren auf die Bestimmung verringert werden.
  • Man beachte, das bei dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem die Steuereinheit die Bestimmung zwar auf der Basis des Unterschieds zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts trifft, die Steuereinheit die Bestimmung jedoch auch auf Basis des Verhältnisses zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts treffen kann. Auch dadurch ist es möglich, die gleiche vorteilhafte Wirkung zu erhalten wie mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem.
  • In dem Brennstoffzellensystem kann die Steuereinheit außerdem so gestaltet sein, dass sie einen Wassergehalt in einem vorgegebenen Abschnitt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt und dann bestimmt, ob der Wassergehalt kleiner ist als ein Schwellenwert, der für die jeweilige Betriebsbedingung der Brennstoffzelle definiert ist, und die Steuereinheit kann so gestaltet sein, dass sie, wenn der Wassergehalt kleiner ist als der Schwellenwert, in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass der Wassergehalt größer wird als oder gleich groß wird wie der Schwellenwert.
  • Hierbei kann es sich bei der „Betriebsbedingung der Brennstoffzelle“ um verschiedene Parameter handeln, beispielsweise um einen Stromwert, der von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, eine Strömungsrate des Brenngases, das zur Anode geliefert wird, eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Kathode geliefert wird, einen Gegendruck des Kathodenabgases, eine Temperatur eines Kühlmittels, das zur Brennstoffzelle geliefert wird, und eine Temperatur eines Kühlmittels, das aus der Brennstoffzelle ausgeführt wird. Dies gilt auch für andere Anwendungsbeispiele, die nachstehend beschrieben sind.
  • Bei dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird der Wassergehalt ermittelt, und wenn der Wassergehalt kleiner ist als der Schwellenwert, der für den jeweiligen Betriebszustand der Brennstoffzelle definiert ist, kann bestimmt werden, dass es aufgrund der Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Die Konzentration der Leistungserzeugung kann beseitigt werden. Wenn der Schwellenwert auf einen relativ hohen Wert eingestellt wird, kann außerdem die Konzentration der Leistungserzeugung vermieden werden.
  • Man beachte, dass der Wassergehalt am vorgegebenen Abschnitt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds mit den oben beschriebenen verschiedenen Parametern in der Betriebsbedingung der Brennstoffzelle als Variable ermittelt werden kann.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases und die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases einen Steuerwert für zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases auf Basis eines Unterschieds zwischen dem Schwellenwert und dem Wassergehalt bestimmt.
  • Bei dem Steuerwert kann es sich um verschiedene Parameter handeln, beispielsweise eine Strömungsrate von Oxidationsgas, das zur Kathode geliefert wird, einen Gegendruck von Kathodenabgas, eine Strömungsrate von Brenngas, das zur Anode geliefert wird, und einen Zeitraum, über den diese Steuerungen fortgesetzt werden.
  • In dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem ist der ermittelte Grad einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung wegen einer Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran höher, wenn der Wassergehalt in Bezug auf den Schwellenwert sinkt, welcher für die jeweilige Betriebsbedingung der Brennstoffzelle definiert ist. Die Steuereinheit bestimmt in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases und die Einheit zum Zu- und Abführen des Brenngases einen Steuerwert für zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases so, dass der lokal unzureichende Wassergehalt beseitigt wird, auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung, das heißt des Unterschieds zwischen dem Schwellenwert und dem Wassergehalt. Im Gegensatz zu dem Fall, dass der Steuerwert nicht auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung eingestellt wird, sondern auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, kann somit die Konzentration der Leistungserzeugung wirksamer und schneller beseitigt werden. Infolgedessen wird weniger Energie für die Steuerung benötigt, und einer Verschlechterung der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems kann entgegengewirkt werden.
  • Außerdem kann der vorgegebene Abschnitt in dem Brennstoffzellensystem ein Abschnitt sein, dessen Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran während des Betriebs der Brennstoffzelle unschwer abnimmt.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzelle variiert der Wassergehalt der Elektrolytmembran an dem Abschnitt, an dem der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran unschwer abnimmt, als Reaktion auf die Betriebsbedingung der Brennstoffzelle. Die Steuereinheit ermittelt den Wassergehalt an dem Abschnitt, an dem der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran unschwer abnimmt, wodurch es möglich ist, die Bestimmung mit hoher Empfindlichkeit zu treffen.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie eine Verteilung einer Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases in der Kathode zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt, und sie kann so gestaltet sein, dass sie bestimmt, ob ein Abstand zwischen einem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und einem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, kürzer ist als der vorgegebene Schwellenwert, die Steuereinheit kann so ausgelegt sein, dass sie in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases und die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases so steuert, dass der Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, größer wird als oder gleich groß wird wie der vorgegebene Schwellenwert.
  • Die Erfinder haben wiederholt Simulationen, um eine Verteilung einer Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases in der Kathode zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, unter verschiedenen Betriebsbedingungen der oben beschriebenen Brennstoffzelle zu ermitteln, und Versuche im Hinblick auf die Konzentration der Leistungserzeugung durchgeführt. Infolgedessen haben die Erfinder erkannt, dass es zu der Konzentration der Leistungserzeugung kommt, wenn der Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, kleiner wird; wohingegen es nicht zu einer Konzentration der Leistungserzeugung kommt, wenn der Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, größer wird. Man beachte, dass eine Verteilung der Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds ermittelt werden kann, die bzw. das die oben beschriebenen verschiedenen Parameter der Betriebsbedingung der Brennstoffzelle als Variable aufweist, wie im Falle der Ermittlung des Wassergehalts im oben beschriebenen Brennstoffzellensystem.
  • Wenn in dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem der Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, kürzer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, kann bestimmt werden, dass es aufgrund einer Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran innerhalb der der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Die Konzentration der Leistungserzeugung kann beseitigt werden. Wenn der Schwellenwert auf einen relativ hohen Wert eingestellt wird, kann außerdem die Konzentration der Leistungserzeugung vermieden werden.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases und die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases einen Steuerwert für zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases auf Basis eines Unterschieds zwischen dem vorgegebenen Schwellenwert und dem Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, bestimmt.
  • In dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird ein umso höherer Grad der Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund einer Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran ermittelt, je kleiner der Abstand zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist, in Bezug auf den vorgegebenen Schwellenwert ist. Die Steuereinheit bestimmt in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases und die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases einen Steuerwert für zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases so, dass der lokal unzureichende Wassergehalt beseitigt wird, auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung, das heißt, des Abstands zwischen dem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und dem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge null ist. Im Gegensatz zu dem Fall, dass der Steuerwert nicht auf Basis des Grades der Konzentration der Leistungserzeugung eingestellt wird, sondern auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, kann somit die Konzentration der Leistungserzeugung effizienter und schneller beseitigt werden. Infolgedessen ist weniger Energie für die Steuerung erforderlich, und einer Abnahme der Energieeffizienz im Brennstoffzellnsystem kann entgegengewirkt werden.
  • Außerdem kann die Steuereinheit im Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie eine Verteilung einer Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases in der Kathode zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt, so gestaltet sein, dass sie eine Funktion abruft, welche die Verteilung der Wasserübertragungsmenge ausdrückt, und so gestaltet sein, dass sie bestimmt, ob die Funktion einen Wendepunkt aufweist, und die Steuereinheit kann so konfiguriert sein, dass sie, wenn die Funktion einen Wendepunkt aufweist, in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases und die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases zumindest die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases so steuert, dass der Wendepunkt beseitigt wird.
  • Die Erfinder haben wiederholt Simulationen, um eine Verteilung einer Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg in einer Strömungsrichtung des Oxidationsgases in der Kathode zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, unter verschiedenen Betriebsbedingungen der oben beschriebenen Brennstoffzelle zu ermitteln, und Versuche im Hinblick auf die Konzentration der Leistungserzeugung durchgeführt. Infolgedessen haben die Erfinder erkannt, dass es zu der Konzentration der Leistungserzeugung kommt, wenn die Funktion, welche die Verteilung der Wasserübertragungsmenge ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist; während es nicht zu einer Konzentration der Leistungserzeugung kommt, wenn die Funktion keinen Wendepunkt aufweist. Man beachte, dass eine Verteilung der Wasserübertragungsmenge, die über die Elektrolytmembran hinweg zwischen der Anode und der Kathode übertragen wird, unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds ermittelt werden kann, die bzw. das die oben beschriebenen Parameter der Betriebsbedingung der Brennstoffzelle als Variable aufweist.
  • Wenn in dem solchermaßen aufgebauten Brennstoffzellensystem die Funktion, welche die Verteilung der Wasserübertragungsmenge ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist, kann bestimmt werden, dass es aufgrund einer Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Die Konzentration der Leistungserzeugung kann beseitigt werden.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie einen Spitzenstrom innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung auf Basis der Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt, und kann so gestaltet sein, dass sie bestimmt, ob der Spitzenstrom größer ist als ein Schwellenwert für die jeweilige Betriebsbedingung der Brennstoffzelle, und die Steuereinheit kann so gestaltet sein, dass sie, wenn der Spitzenstrom größer ist als der Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen des Oxidationsgases und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen des Brenngases so steuert, dass der Spitzenstrom kleiner wird als der Schwellenwert.
  • Wenn der Spitzenstrom innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung in dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, kann bestimmt werden, dass es aufgrund der Wasserverteilung in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Dann kann die Konzentration der Leistungserzeugung beseitigt werden. Wenn der Schwellenwert auf einen relativ kleinen Wert eingestellt wird, kann die Konzentration der Leistungserzeugung außerdem vermieden werden.
  • Man beachte, dass der Spitzenstrom innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung beispielsweise unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds ermittelt werden kann, die bzw. das die oben beschriebenen verschiedenen Parameter der Betriebsbedingung als Variable aufweist.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem so gestaltet sein, dass sie eine Standardabweichung einer Stromdichteverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle abfragt, und sie kann so gestaltet sein, dass sie bestimmt, ob die Standardabweichung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und die Steuereinheit kann so gestaltet sein, dass sie, wenn die Standardabweichung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass die Standardabweichung kleiner wird als oder gleich groß wird wie der vorgegebene Schwellenwert.
  • Wenn in dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem die Standardabweichung der Stromdichteverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, kann bestimmt werden, dass es aufgrund der Wasserverteilung in der Ebene der Membran-Elektroden- Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Dann kann die Konzentration der Leistungserzeugung beseitigt werden. Wenn der Schwellenwert auf einen relativ kleinen Wert eingestellt wird, kann die Konzentration der Leistungserzeugung außerdem vermieden werden.
  • Man beachte, dass die Stromdichte innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung beispielsweise unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds ermittelt werden kann, die bzw. das die oben beschriebenen verschiedenen Parameter der Betriebsbedingung als Variable aufweist.
  • Wenn es aufgrund der Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist, wird die wirksame Leistungserzeugungsfläche kleiner, so dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle meist unter eine gewünschte Ausgangsleistung sinkt. Somit kann jedes der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme ferner eine Ausgangsleistungs-Erfassungseinheit aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erfasst, um zu bewirken, dass die Steuereinheit eine Bestimmung unter Berücksichtigung einer Senkung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle trifft. Wenn es aufgrund der Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist, nimmt außerdem der Wechselstromwiderstand der Brennstoffzelle innerhalb eines kurzen Zeitraums in Bezug auf einen gewünschten Wert zu oder variiert stark. Somit kann jedes der oben beschriebenen Brennstoffzellensysteme ferner eine Wechselstromwiderstand-Erfassungseinheit aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie den Wechselstromwiderstand der Brennstoffzelle erfasst, um zu bewirken, dass die Steuereinheit eine Bestimmung unter Berücksichtigung des Wechselstromwiderstands der Brennstoffzelle trifft.
  • Außerdem kann die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem ferner so gestaltet sein, dass sie die Wasserverteilung auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt, und kann so gestaltet sein, dass sie auf Basis der Wasserverteilung bestimmt, ob eine Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung in einem lokal unzureichenden Wassergehalt in der Elektrolytmembran, einem lokalen Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal oder einem lokalen Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal liegt, und die Steuereinheit kann so gestaltet sein, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas auf Basis der bestimmten Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung steuert.
  • In dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem bestimmt die Steuereinheit die Ursache für eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen der Wasserverteilung auf Basis der Betriebsbedingung der oben beschriebenen Brennstoffzelle, und daher ist die Steuereinheit in der Lage, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas auf Basis der bestimmten Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung angemessen zu steuern.
  • Man beachte, dass der Wassergehalt, zu dem eine Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran, eine Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und eine Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal gehören, unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds ermittelt werden kann, die bzw. das die oben beschriebenen verschiedenen Parameter der Betriebsbedingung als Variable aufweist.
  • Wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellensystem ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, kann die Steuereinheit außerdem so gestaltet sein, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Kathode geliefert wird, verringert ist.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem kann der Verdampfung von Wasser aus der Elektrolytmembran entgegengewirkt werden, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran zu beseitigen.
  • Die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem kann außerdem so gestaltet sein dass sie, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass ein Gegendruck des Kathodenabgases erhöht wird.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem kann der Verdampfung von Wasser aus der Elektrolytmembran entgegengewirkt werden, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran zu beseitigen.
  • Die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem kann außerdem so gestaltet sein dass sie, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas so steuert, dass eine Strömungsrate des Brenngases, das zur Anode geliefert wird, erhöht wird.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird das Maß der Leistungserzeugung in der Membran-Elektroden-Anordnung erhöht, wodurch die Menge an erzeugtem Wasser erhöht wird, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran zu beseitigen.
  • Die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem kann außerdem so gestaltet sein, dass sie, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal ist, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas so steuert, dass eine Strömungsrate des Brenngases, das zur Anode geliefert wird, erhöht wird.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird flüssiges Wasser, das lokal im Brenngas-Strömungskanal zurückbleibt, aus der Brennstoffzelle abgeleitet, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund des lokalen Überschusses an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal zu beseitigen.
  • Die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem kann außerdem so gestaltet sein, dass sie, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal ist, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Kathode geliefert wird, erhöht wird.
  • Mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird flüssiges Wasser, das lokal im Oxidationsgas-Strömungskanal zurückbleibt, aus der Brennstoffzelle nach außen abgeleitet, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund des lokalen Überschusses an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal zu beseitigen.
  • Die Steuereinheit in dem Brennstoffzellensystem kann ferner so gestaltet sein, dass sie, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal ist, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas so steuert, dass ein Gegendruck des Kathodenabgases gesenkt wird.
  • Auch mit dem solchermaßen gestalteten Brennstoffzellensystem wird flüssiges Wasser, das lokal im Oxidationsgas-Strömungskanal zurückbleibt, aus der Brennstoffzelle nach außen abgeleitet, wodurch es möglich ist, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund des lokalen Überschusses an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal zu beseitigen.
  • Der Aspekt der Erfindung muss nicht alle der oben beschriebenen verschiedenen Merkmale aufweisen, sondern er kann so gestaltet sein, dass ein Teil der Merkmale weggelassen wird oder dass einige der Merkmale nach Bedarf kombiniert werden. Außerdem kann der Aspekt der Erfindung abgesehen von der Gestaltung des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems als Aspekt der Erfindung gestaltet sein, bei dem es sich um ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem handelt. Außerdem kann der Aspekt der Erfindung in verschiedenen Formen verwirklicht werden, beispielsweise als Computer-Programm, das diese Merkmale implementiert, als Aufzeichnungsmedium, auf dem das Programm aufgezeichnet ist, und als Datensignal, welches das Programm beinhaltet und in einer Trägerwelle implementiert ist. Man beachte, dass in jedem der Aspekte verschiedene zusätzliche Elemente angewendet werden können.
  • Wenn der Aspekt der Erfindung als Computer-Programm, als Aufzeichnungsmedium, auf dem das Computer-Programm aufgezeichnet ist, usw. implementiert ist, kann es als das gesamte Computer-Programm, das den Betrieb des Brennstoffzellensystems steuert, implementiert sein oder es kann nur als Teil des Programms implementiert sein, mit dem die Funktion der Erfindung erhalten wird. Außerdem kann es sich bei dem Aufzeichnungsmedium um verschiedene Computerlesbare Medien handeln, beispielsweise eine Diskette, einen CD-ROM, einen DVD-ROM, eine magneto-optische Platte, eine IC-Karte, eine ROM-Kassette, eine Lochkarte, einen Druck, auf dem Code, beispielsweise Strich-Code gedruckt ist, als interne Speichervorrichtung (beispielsweise als RAM- oder ROM-Speicher) und als externe Speichervorrichtung eines Computers.
  • Figurenliste
  • Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen, und in denen:
    • 1 eine Ansicht ist, die die schematische Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
    • 2A und 2B Ansichten sind, die ein Beispiel für eine konzentrierte Leistungserzeugung zeigen, die in einer Membran-Elektroden-Anordnung stattfindet, bei der es sich um eine Komponente eines Brennstoffzellenstapels gemäß der ersten Ausführungsform handelt;
    • 3 eine Ansicht ist, die ein Rahmenelement darstellt, das an einem Außenrandabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen ist;
    • 4 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen einem Unterschied zwischen Temperaturen, die jeweils von zwei am Rahmenelement vorgesehenen Temperatursensoren erfasst werden, und einer Stromdichte in einer Region der Membran-Elektroden-Anordnung, die in 3 schraffiert angegzeigt ist, darstellt;
    • 5 ein Ablaufschema ist, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 6 ein Graph ist, der eine Methode zum Bestimmen des Gegendrucks eines Kathodenabgases in einem Steuerverfahren zeigt, mit dem eine Austrocknung verhindert wird und das in der ersten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 7 ein Ablaufschema ist, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 8 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen einem Wassergehalt und einer Leistungsmenge, die in einer Elektrolytmembran erzeugt wird, unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellenstapels gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt;
    • 9 ein Graph ist, der ein Verfahren zum Bestimmen des Gegendrucks von Kathodenabgas bei einer Steuerung zeigt, mit der eine Austrocknung verhindert werden soll und die in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 10 ein Ablaufschema ist, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das im Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer dritten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 11A und 11B Graphen sind, die die Korrelation zwischen einer Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt;
    • 12 ein Graph ist, der ein Verfahren zum Bestimmen des Gegendrucks eines Kathodenabgases in einem Steuerverfahren zeigt, mit dem eine Austrocknung verhindert werden soll und das in der dritten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 13 ein Ablaufschema ist, das Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das im Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer vierten Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 14A und 14B Graphen sind, die die Korrelation zwischen einer Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung gemäß der vierten Ausführungsform darstellt;
    • 15 ein Ablaufschema ist, das Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das im Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer fünften Ausführungsform ausgeführt wird;
    • 16 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Gegendruck von Kathodenabgas und einem Spitzenstrom unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellenstapels gemäß der fünften Ausführungsform darstellt;
    • 17 ein Ablaufschema ist, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform ausgeführt wird; und
    • 18 ein Graph ist, der die Korrelation zwischen dem Gegendruck von Anodenabgas und einer Standardabweichung einer Stromdichteverteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellenstapels gemäß der sechsten Ausführungsform darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Nun wird eine erste Ausführungsform beschrieben. 1 ist eine Ansicht, die die schematische Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. In dem Brennstoffzellensystem 100 weist ein Brennstoffzellen- (FC-) Stapel 10 eine Mehrzahl von gestapelten Zellen auf, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (Brenngas) und Sauerstoff (Oxidationsgas) elektrische Leistung erzeugen. Jede Zelle weist eine Membran-Elektroden-Anordnung, einen Brenngas-Strömungskanal, einen Oxidationsgas-Strömungskanal und einen Kühlmittel-Strömungskanal auf (nicht dargestellt). Die Membran-Elektroden-Anordnung ist so ausgebildet, dass eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, welche eine Protonenleitfähigkeit aufweist. Der Brenngas-Strömungskanal wird verwendet, um Wasserstoff entlang der Oberfläche der Anode strömen zu lassen. Der Oxidationsgas-Strömungskanal wird verwendet, um Luft entlang der Oberfläche der Kathode strömen zu lassen. Der Kühlmittel-Strömungskanal wird verwendet, um ein Kühlmittel strömen zu lassen. In der ersten Ausführungsform wird eine Polymerelektrolytmembran, beispielsweise Nafion (Warenzeichen; Ionentauschermembran), als Elektrolytmembran verwendet.
  • Wasserstoff, der als Brenngas dient, wird von einem Wasserstofftank 20, der unter hohem Druck stehenden Wasserstoff speichert, über eine Wasserstoff-Zuführungsleitung 24 zur Anode des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Anstelle des Wasserstofftanks 20 kann beispielsweise eine Wasserstoff erzeugende Vorrichtung, die Wasserstoff durch eine Reformierungsreaktion erzeugt, bei der Alkohol, Kohlenwasserstoff, Aldehyd oder dergleichen als Ausgangsmaterial verwendet wird, verwendet werden.
  • Unter hohem Druck stehender Wasserstoff, der im Wasserstofftank 20 gespeichert ist, wird durch ein Sperrventil 21, ein Regelungsventil 22, einen Injektor 23 und dergleichen bezüglich des Drucks und der zugeführten Menge angepasst und zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Das Sperrventil 21 ist am Auslass des Wasserstofftanks 20 vorgesehen. Man beachte, dass ein Drucksensor 24P in der Wasserstoff-Zuführungsleitung 24 vorgesehen ist und verwendet wird, um den Druck in der Wasserstoff-Zuführungsleitung 24 zu erfassen.
  • Abgas von den Anoden (im Folgenden als Anodenabgas bezeichnet) wird zu einer Anodenabgas-Ausführungsleitung 25 ausgeführt. Anodenabgas, das zur Anodenabgas-Ausführungsleitung 25 ausgeführt wird und das Wasserstoff enthält, der bei der Leistungserzeugung nicht verbraucht worden ist, kann über eine Umwälzleitung 26 zur Wasserstoff-Zuführungsleitung zurückgeführt werden. Man beachte, dass der Druck des Anodenabgases als Folge davon, dass Wasserstoff durch die Leistungserzeugung im Brennstoffzellenstapel 10 verbraucht wird, relativ niedrig ist. Daher ist eine Wasserstoff-Umwälzpumpe 27 in der Umwälzleitung 26 angeordnet und wird verwendet, um das Anodenabgas zu verdichten, wenn das Anodenabgas umgewälzt wird. Ein Strömungsratensensor 27F ist für die Wasserstoffumwälzpumpe 27 vorgesehen und wird verwendet, um die Umwälzströmungsrate des Anodenabgases zu erfassen. Eine Leitung 28 zweigt von der Anodenabgas-Ausführungsleitung 25 ab, und ein Spülventil 29 ist in der Leitung 28 angeordnet. Während das Spülventil 29 geschlossen ist, wird Anodenabgas, das Wasserstoff enthält, der bei der Leistungserzeugung nicht verbraucht worden ist, über die Umwälzleitung 26 in den Brennstoffzellenstapel 10 zurückgeführt. Dadurch kann der Wasserstoff effizient genutzt werden.
  • Während der Umwälzung des Anodenabgases wird Wasserstoff für die Leistungserzeugung verbraucht, während Verunreinigungen außer Wasserstoff, beispielsweise Stickstoff, der aus den Kathoden über die Elektrolytmembranen zu den Anoden durchdringt, zurückbleiben und nicht verbraucht werden, so dass die Konzentration der Verunreinigungen im Anodenabgas allmählich zunimmt. Wenn nun das Spülventil 29 geöffnet wird, wird Anodenabgas zusammen mit Kathodenabgas (später beschrieben) über die Leitungen 28 und 40 aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ausgeführt. Dadurch kann die Konzentration von Verunreinigungen im Anodenabgas gesenkt werden.
  • Der Wasserstofftank 20, das Sperrventil 21, das Regelungsventil 22, der Injektor 23, die Wasserstoff-Zuführungsleitung 24, der Drucksensor 24P, die Anodenabgas-Ausführungsleitung 25, die Umwälzleitung 26, die Wasserstoff-Umwälzpumpe 27, der Strömungsratensensor 27F, die Leitung 28, das Spülventil 29 und die Leitung 40 stellen ein Beispiel für eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas dar.
  • Verdichtete Luft, die als sauerstoffhaltiges Oxidationsgas dient, wird zu den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Die Luft wird aus einem Luftreiniger 30 eingesaugt, von einem Luftverdichter 31 verdichtet, über eine Leitung 32 in eine Befeuchtungsvorrichtung 33 eingeführt, von der Befeuchtungsvorrichtung 33 befeuchtet und dann von einer Luft-Zuführungsleitung 34 zu den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 10 geliefert. Ein Strömungsratensensor 31F ist für den Luftverdichter 31 vorgesehen und wird verwendet, um die Strömungsrate der zugeführten Luft zu erfassen.
  • Abgas von den Kathoden (im Folgenden als Kathodenabgas bezeichnet) strömt zu einer Leitung 35 aus. Ein Drucksensor 35P und ein Druckregulierungsventil 36 sind in der Leitung 35 angeordnet. Der Drucksensor 35P wird verwendet, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu erfassen. Das Druckregulierungsventil 36 wird verwendet, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu regulieren. Kathodenabgas mit hoher Feuchtigkeit, das aus dem Brennstoffzellensystem 100 zur Leitung 35 ausströmt, wird in die Befeuchtungsvorrichtung 33 eingeführt, verwendet, um die Luft zu befeuchten, und dann über eine Leitung 37 und die Leitung 40 aus dem Brennstoffzellensystem 100 nach außen ausgeführt.
  • Der Luftreiniger 30, der Luftkompressor 31, der Strömungsratensensor 31F, die Leitung 32, die Befeuchtungsvorrichtung 33, die Luftzuführungsleitung 34, die Leitung 35, der Drucksensor 35P, das Druckregulierungsventil 36, die Leitung 37 und die Leitung 40 stellen ein Beispiel für eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas dar.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt Wärme durch die oben beschriebene elektrochemische Reaktion. Um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 bei einer Temperatur zu halten, die sich zur Leistungserzeugung eignet, wird daher auch Kühlmittel zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert. Das Kühlmittel, das von einer Wasserpumpe 51 gepumpt wird, strömt durch eine Kühlmittelleitung 52 und wird von einem Kühlkörper 50 gekühlt. Das gekühlte Kühlmittel wird zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist eine Umgehungsleitung 53 zum Umwälzen von Kühlmittel unter Umgehung des Kühlkörpers 50 mit der Leitung 52 verbunden, und außerdem ist ein Drehventil 54 an einem von mehreren Verbindungsabschnitten zwischen der Leitung 52 und der Umgehungsleitung 53 angeordnet. Durch Schalten des Drehventils 54 kann Kühlmittel unter Umgehung des Kühlkörpers 50 durch die Leitung 52 und die Umgehungsleitung 53 strömen. Man beachte, dass ein Temperatursensor 55 an einem in Strömungsrichtung eines Kühlmittels gesehen stromaufwärts vom Kühlkörper 50 gelegenen Abschnitt in der Leitung 52 angeordnet ist, wie in der Zeichnung dargestellt, und verwendet wird, um die Temperatur des Kühlmittels, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abläuft, zu erfassen. Außerdem ist ein Temperatursensor 56 an einem in Strömungsrichtung des Kühlmittels stromabwärts von der Wasserpumpe 51 gelegenen Abschnitt in der Leitung 52 angeordnet und wird verwendet, um die Temperatur von Kühlmittel, das zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erfassen.
  • Außerdem ist ein Zellenmonitor 60 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden. Der Zellenmonitor 60 erfasst die Spannung, den Strom, den Wechselstromwiderstand und dergleichen jeder Zelle im Brennstoffzellenstapel 10.
  • Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird von einer Steuereinheit 70 gesteuert. Die Steuereinheit 70 wird von einem Mikrocomputer gebildet, der in seinem Inneren eine CPU, einen RAM, einen ROM und dergleichen aufweist, und steuert den Betrieb des Systems gemäß Programmen, die im ROM gespeichert sind. Der ROM speichert außerdem verschiedene Kennfelder, Schwellenwerte und dergleichen, die bei der Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 verwendet werden, zusätzlich zu den oben genannten Programmen. Genauer steuert die Steuereinheit 70 beispielsweise den Betrieb des Systems, wozu auch ein Verfahren zum Unterdrücken einer konzentrierten Leistungserzeugung (später beschrieben) gehört, wie die Betätigung verschiedener Ventile, der Wasserstoff-Umwälzpumpe 27, der Wasserpumpe 51 und des Luftverdichters 31, auf Basis einer Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, der Ausgaben verschiedener Sensoren und dergleichen. Die Steuereinheit 70 stellt ein Beispiel für eine Steuereinheit dar.
  • Im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel 10, wie oben beschrieben, Membran-Elektroden-Anordnungen auf, die eine Polymerelektrolytmembran als Elektrolytmembran verwenden, und um eine gewünschte Effizienz der Leistungserzeug zu erhalten, ist es somit notwendig, die Elektrolytmembranen in einem angemessen feuchten Zustand zu halten, um die Protonenleitfähigkeit jeder Elektrolytmembran angemessen aufrechtzuerhalten. Während der Leistungserzeugung kann es jedoch innerhalb der Ebene der jeweiligen Elektrolytmembran zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Wassergehalts (einer ungleichmäßigen Verteilung eines feuchten Zustands) kommen, und die ungleichmäßige Verteilung des Wassergehalts kann eine ungleichmäßig verteilte Leistungserzeugung bewirken. Wenn ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Ebene einer der Elektrolytmembranen vorliegt, kommt es in einer anderen Region, wo kein unzureichender Wassergehalt vorliegt, zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung, was zu einer lokalen Funktionsminderung einer entsprechenden von den Membran-Elektroden-Anordnungen führt.
  • 2A und 2B sind Ansichten, die ein Beispiel für eine konzentrierte Leistungserzeugung darstellen, die in einer Membran-Elektroden-Anordnungen stattfindet. 2A zeigt die Form einer Membran-Elektroden-Anordnungen 12 im Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der ersten Ausführungsform, die Strömungsrichtungen von Wasserstoff und Luft an der Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die Strömungsrichtung von Kühlmittel in der Zelle und dergleichen. Außerdem zeigt 2B eine verteilte Leistungserzeugung in den Strömungsrichtungen von Wasserstoff und Luft in der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einen Zustand einer konzentrierten Leistungserzeugung.
  • Wie in 2A dargestellt ist, weist die Membran-Elektroden-Anordnungen 12 eine rechteckige Form auf. An der Oberfläche der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 sind ein Brenngas-Strömungskanal und ein Oxidationsgas-Strömungskanal so vorgesehen, dass Wasserstoff und Luft in entgegengesetzten Richtungen entlang der kurzen Seite der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 strömen. In der oben genannten Membran-Elektroden-Anordnungen 12 trocknet ein Abschnitt der Elektrolytmembran umso leichter aus, je weiter stromaufwärts der Abschnitt in Luftströmungsrichtung liegt; während ein Abschnitt der Elektrolytmembran umso schwerer austrocknet, je weiter stromabwärts der Abschnitt liegt. Anders ausgedrückt nimmt der Wassergehalt eines Abschnitts der Elektrolytmembran innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 umso mehr ab, je weiter stromaufwärts der Abschnitt in Luftströmungsrichtung liegt, und der Wassergehalt eines Abschnitts der Elektrolytmembran nimmt umso mehr zu, je weiter stromabwärts der Abschnitt liegt. Außerdem ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels in der Zelle auf eine Richtung eingestellt, die entlang der langen Seite der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 verläuft. Ein Abschnitt der Elektrolytmembran trocknet umso schwerer aus, je weiter stromaufwärts der Abschnitt in Luftströmungsrichtung liegt, und ein Abschnitt der Elektrolytmembran trocknet umso leichter aus, je weiter stromabwärts der Abschnitt liegt. Das heißt, der Wassergehalt eines Abschnitts der Elektrolytmembran nimmt umso mehr zu, je weiter stromaufwärts der Abschnitt in Luftströmungsrichtung liegt, und der Wassergehalt eines Abschnitts der Elektrolytmembran nimmt umso mehr ab, je weiter stromabwärts der Abschnitt liegt.
  • Wie in 2B dargestellt ist, nimmt in der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 wegen der Verteilung des Wassergehalts in der Ebene des Elektrolyten die erzeugte Leistungsmenge umso mehr ab, je weiter stromaufwärts ein Abschnitt des Elektrolyten in Luftströmungsrichtung liegt, und die erzeugte Leistungsmenge nimmt umso mehr zu, je weiter stromabwärts ein Abschnitt des Elektrolyten liegt. Wenn eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, zunimmt, das heißt wenn die geforderte Ausgangsleistung sich von einem Niederlastzustand („O“), wo die geforderte Ausgangsleistung relativ niedrig ist, in einen Hochlastzustand („⌷“) ändert, wo die geforderte Ausgangsleistung relativ hoch ist, ist eine Zunahme der erzeugten Leistungsmenge auf der in Luftströmungsrichtung stromaufwärtigen Seite, wo der Wassergehalt der Elektrolytmembran in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 relativ niedrig ist, relativ klein; während eine Zunahme der erzeugten Leistungsmenge auf der in Luftströmungsrichtung stromabwärtigen Seite, wo der Wassergehalt der Elektrolytmembran in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung relativ hoch ist, relativ groß ist. Das heißt, in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kommt es aufgrund der Verteilung des Wassergehalts in der Ebene der Elektrolytmembran zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung.
  • Obwohl dies in der Zeichnung weder dargestellt noch ausführlich beschrieben ist, kann es im Brenngas-Strömungskanal oder im Oxidationsgas-Strömungskanal, die auf den Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorgesehen sind, beispielsweise zu einer ungleichmäßigen Verteilung von Restwasser kommen, die entsteht, weil Wasser, das während einer Leistungserzeugung gebildet wird, als Flüssigkeit zurückbleibt, und die Verteilung des Restwassers kann auch eine ungleichmäßig verteilte Leistungserzeugung bewirken. Wenn ein lokaler Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungsweg oder im Oxidationsgas-Strömungsweg vorliegt, reicht Wasserstoff, der zu einer Teilregion der Anode geliefert wird, nicht mehr aus, oder Luft, die zu einer Teilregion der Kathode geliefert wird, reicht nicht mehr aus, so dass eine Leistungserzeugung sich lokal in einer anderen Region konzentriert, wo der zugeführte Wasserstoff nicht unzureichend ist oder die zugeführte Luft nicht unzureichend ist, was daher zu einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung 12 führt. Das heißt, eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund einer Wasserverteilung (der oben beschriebenen Verteilung des Wassergehalts und Verteilung von Restwasser) in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung führt zu einer lokalen Funktionsminderung der Membran-Elektroden-Anordnung.
  • Im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform führt die CPU der Steuereinheit 70 ein Steuerverfahren zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung, um einer wegen der oben beschriebenen Wasserverteilung lokal konzentrierten Leistungserzeugung entgegenzuwirken, parallel zu einer normalen Betriebssteuerng als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, aus.
  • Im Folgenden wird das Steuerverfahren zur Unterdrückung der konzentrierten Leistungserzeugung, das im Brennstoffzellensystem 100 ausgeführt wird, mit Bezug auf 3 bis 6 beschrieben.
  • 3 ist eine Ansicht, die ein Rahmenelement 14 darstellt, das am äußeren Randabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorgesehen ist. Man beachte, dass Durchgangsbohrungen, die im Rahmenelement 14 ausgebildet sind, damit Wasserstoff, Anodenabgas, Kathodenabgas und Kühlmittel in der Zellenstapelrichtung im Brennstoffzellenstapel 10 strömen können, in 3 nicht dargestellt sind.
  • Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist im Rahmenelement 14 ein Temperatursensor 14a an einem Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Luft in die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 eingeführt wird, an der Auslassseite eines Kühlmittels vorgesehen und wird verwendet, um die Temperatur T1 dieses Abschnitts zu erfassen. Außerdem ist im Rahmenelement 14 ein Temperatursensor 14b an einem Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Kathodenabgas aus der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ausgeführt wird, an der Auslassseite eines Kühlmittels vorgesehen und wird verwendet, um die Temperatur T2 dieses Abschnitts zu erfassen. Während der Leistungserzeugung ist die Temperatur in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 in der in Luftströmungsrichtung stromabwärtigen Region wegen der erzeugten Wärme höher als in der stromaufwärtigen Region. Wärme, die von der Membran-Elektroden-Anordnung 12 erzeugt wird, wird auf das Rahmenelement 14 übertragen. Somit ist die Temperatur 12, die vom Temperatursensor 14b erfasst wird, höher als die Temperatur T1, die vom Temperatursensor 14a erfasst wird.
  • Der Abschnitt des Rahmenelements 14, an dem der Temperatursensor 14a vorgesehen ist, wird auch als erster Abschnitt bezeichnet. Außerdem wird der Abschnitt des Rahmenelements 14, an dem der Temperatursensor 14b vorgesehen ist, auch als zweiter Abschnitt bezeichnet. Außerdem wird der Temperatursensor 14a auch als erster Temperatursensor bezeichnet. Außerdem wird der Temperatursensor 14b auch als zweiter Temperatursensor bezeichnet.
  • 4 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen einem Unterschied (T2 - T1) zwischen der Temperatur T2 und der Temperatur T1, die von den beiden im Rahmenelement 14 vorgesehenen Temperatursensoren 14b und 14a erfasst werden, und der Stromdichte in der Region der Membran-Elektroden-Anordnung 12, die in 3 durch Schraffur angezeigt ist, darstellt. Man beachte, dass die Region R der Membran-Elektroden-Anordnung 12 eine Region ist, in der der Wassergehalt der Elektrolytmembran innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 unschwer am meisten zurückgeht (siehe 2A). In 4 sind für die genannte Korrelation tatsächlich gemessene Ergebnisse mit einem Kreis gekennzeichnet, und Ergebnisse, die durch Simulation berechnet worden sind, sind mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet.
  • Aus 4 geht hervor, dass die Stromdichte in der Region R der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umso niedriger ist, je größer der Temperaturunterschied T2 - T1 ist. Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, wurde gefunden, dass die Stromdichte in einer Region der Membran-Elektroden-Anordnung 12 außer der Region R umso höher ist, je größer der Temperaturunterschied T2 - T1 ist. In der ersten Ausführungsform wird auf Basis der oben beschriebenen Erkenntnisse bestimmt, dass es aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung gekommen ist, wenn der Temperaturunterschied T2 - T1 höher ist als ein Schwellenwert Th, bei dem die Stromdichte in der Region R der Membran-Elektroden-Anordnung 12 einem Schwellenwert Jth entspricht. Außerdem ist der ermittelte Grad der Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umso größer, je größer der Temperaturunterschied T2 - T1 in Bezug auf den Schwellenwert Tth ist.
  • 5 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung zeigt, das im Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird. Wenn das Steuerverfahren zur Unterdrückung einer konzentrierten Leistungserzeugung gestartet wird, führt die CPU zu Anfang einen Prozess zur Ermittlung der Wasserverteilung aus (Schritt S100). Das Verfahren zur Ermittlung der Wasserverteilung dient dazu, eine Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12, eine Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und eine Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal zu ermitteln.
  • Nun wird ein Überblick über den Prozess zur Ermittlung der Wasserverteilung gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Man beachte, dass die Einzelheiten des nachstehend beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung der Wasserverteilung in der internationalen Anmeldung WO 2010 / 073 380 A1 beschrieben sind.
  • Zu Anfang lädt die CPU die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10, genauer die Stromwerte, die vom Zellenmonitor 60 erfasst werden, die Temperatur des Kühlmittels, die vom Temperatursensor 56 erfasst wird (im Folgenden auch als Kühlmitteleinlasstemperatur bezeichnet), die Temperatur des Kühlmittels, die vom Temperatursensor 55 erfasst wird (im Folgenden auch als Kühlmittelauslasstemperatur bezeichnet), die Strömungsrate von zugeführter Luft, die vom Luftströmungsratensensor 31F erfasst wird (im Folgenden auch als Luftströmungsrate bezeichnet), die Strömungsrate von zugeführtem Wasserstoff unter Berücksichtigung der Anodenabgas-Umwälzungsrate, die vom Strömungsratensensor 27F erfasst wird (im Folgenden auch als Wasserstoffströmungsrate bezeichnet), den Gegendruck des Kathodenabgases, der vom Drucksensor 35P erfasst wird (im Folgenden auch als Luftgegendruck bezeichnet), und den Druck in der Wasserstoffzuführungsleitung 24, der vom Drucksensor 24P erfasst wird (im Folgenden auch als Wasserstoffdruck bezeichnet) (erster Schritt).
  • Anschließend berechnet die CPU jeweils einen Kathodeneinlasstaupunkt und einen Anodeneinlasstaupunkt aus der Kühlmitteleinlasstemperatur und der Kühlmittelauslasstemperatur (zweiter Schritt). Man beachte, dass der Kathodeneinlasstaupunkt und der Anodeneinlasstaupunkt statt dessen unter Verwendung eines Taupunkthygrometers erfasst werden können.
  • Danach fragt die CPU eine Wasserübertragungsrate VH20,CA→AN ab, bei der es sich um die Übertragungsrate von Wasser handelt, das innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 durch die Elektrolytmembran von der Kathode zur Anode übergeht (dritter Schritt). Die Wasserübertragungsrate VH20,CA→AN wird unter Verwendung des folgenden mathematischen Ausdrucks (1) berechnet. V H 20, CA → AN = D H 20 × ( P H 20, CA − P H 20, AN )
    Figure DE112011102754B4_0001
  • Hierbei ist PH20.CA ein Wasserdampf-Partialdruck an der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und wird unter Verwendung des Kathodeneinlasstaupunkts berechnet. Außerdem ist PH20,AN ein Wasserdampf-Partialdruck an der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und wird unter Verwendung des Anodeneinlasstaupunkts berechnet. Außerdem ist DH20 ein Wasserdiffusionskoeffizient in der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12.
  • Die CPU berechnet die Stromdichte an jeder einzelnen von in der Ebene liegenden Teilregionen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aus der Wasserübertragungsrate, dem Kathodeneinlasstaupunkt, dem Anodeneinlasstaupunkt, der Kühlmittelauslasstemperatur, dem Luftgegendruck, dem Wasserstoffdruck, der Luftströmungsrate, der Wasserstoffströmungsrate und dem Stromwert unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds (vierter Schritt). Außerdem berechnet die CPU eine Stromverteilung und eine Verteilung der relativen Feuchtigkeit innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aus dem Kathodeneinlasstaupunkt, dem Anodeneinlasstaupunkt, der Kühlmittelauslasstemperatur, dem Luftgegendruck, dem Wasserstoffdruck, der Luftströmungsrate, der Wasserstoffströmungsrate und dem Stromwert unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds (vierter Schritt).
  • Anschließend berechnet die CPU für die Anode und die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 einen Übersättigungsgrad σ1 (einen Grad, in dem die relative Feuchtigkeit 100 % überschreitet) und einen Unsättigungsgrad σ2 (einen Grad, in dem die relative Feuchtigkeit unter 100 % sinkt) aus der oben beschriebenen Verteilung der relativen Feuchtigkeit und berechnet dann eine Flüssigwasser-Produktionsrate Vvap→liq, bei der es sich um die Rate handelt, mit der sich Dampf in Wasser wandelt, und eine Flüssigwasser-Verdampfungsrate Vliq→Vvap, wobei es sich um die Rate handelt, mit der sich Wasser in Dampf wandelt, jeweils unter Verwendung der folgenden mathematischen Ausdrücke (2) und (3) (fünfter Schritt). Der Grund dafür ist, dass angesichts einer Änderung der Wasserphase (Gasphase, flüssige Phase) im Brenngas-Strömungskanal und im Oxidationsgas-Strömungskanal die Flüssigwasser-Produktionsrate Vvap→liq und die Flüssigwasser-Verdampfungsrate Vliq→vap im Brenngas-Strömungskanal und im Oxidationsgas-Strömungskanal berechnet werden. V vap → liq = k 1 × σ 1
    Figure DE112011102754B4_0002
     V liq → vap = k 2 × σ 2
    Figure DE112011102754B4_0003
  • Hierbei sind die Koeffizienten k1 und k2 Faktoren, die auf Temperatur und Wasserabstoßung basieren, und sind abgeleitet von den physikalischen Eigenschaften der Reaktionsgas-Strömungskanäle. Die Koeffizienten k1 und k2 werden vorab durch Experimente in ein Kennfeld eingetragen.
  • Danach berechnet die CPU eine Wasserübertragungsrate V_liq im Brenngas-Strömungskanal und im Oxidationsgas-Strömungskanal unter Verwendung des folgenden mathematischen Ausdrucks (4) for sowohl die Anode als auch die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 (sechster Schritt). Wasser wird durch den Gasstrom im Brenngas-Strömungskanal und im Oxidationsgas-Strömungskanal aus dem Inneren der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 herausgeblasen und ausgeführt, daher wird die Wasserübertragungsrate V_liq in sowohl dem Brenngas-Strömungskanal als auch dem Oxidationsgas-Strömungskanal unter Berücksichtigung der obigen Tatsache berechnet. V _ liq = k 3 × V _ gas
    Figure DE112011102754B4_0004
  • Hierbei ist die Wasserübertragungsrate V_liq die Übertragungsrate von Wasser, das durch Gas herausgeblasen wird. Außerdem ist V_gas eine Dampfströmungsrate im Brenngas-Strömungskanal oder im Oxidationsgas-Strömungskanal und wird aus einem Kennfeld berechnet, das mit einer Zustandsgröße assoziiert ist, beispielsweise der Strömungsrate von zugeführtem Gas und einem Dampfpartialdruck. Der Koeffizient k3 ist ein Faktor, der auf Temperatur und Wasserabstoßung beruht, und wird von der physikalischen Eigenschaft des Brenngas-Strömungskanals oder des Oxidationsgas-Strömungskanals abgeleitet. k3 wird vorab durch einen Versuch in ein Kennfeld eingetragen.
  • Durch die oben beschriebenen vierten bis sechsten Schritte können eine Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und eine Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal ermittelt werden. Außerdem kann aus dem oben beschriebenen vierten Schritt eine Verteilung des Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ermittelt werden.
  • Nach dem Verfahren zur Ermittlung der Wasserverteilung (Schritt S100) bestimmt die CPU den Zustand der Wasserverteilung (Schritt S110). Das heißt, die CPU bestimmt, ob das Restwasser im Brenngas-Strömungskanal in einem Grad überschüssig ist, dass es zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung (Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal) kommt, ob das Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal in einem Grad überschüssig ist, dass es zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung kommt (Überschuss von Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal), ob der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 lokal unzureichend ist (unzureichender Wassergehalt der Elektrolytmembran), oder ob dies nicht der Fall ist. Man beachte, dass der Bestimmungsbezug für einen Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal und der Bestimmungsbezug für einen Überschuss von Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal beispielsweise empirisch definiert sind.
  • Wenn die CPU in Schritt S110 bestimmt, dass der Zustand einer Wasserverteilung kein Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal, kein Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal und kein unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, erkennt die CPU, dass keine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund einer Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt S100.
  • Wenn die CPU in Schritt S110 bestimmt, dass der Zustand einer Wasserverteilung ein Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal ist, führt die CPU außerdem eine Steuerung durch, mit der Wasser aus dem Brenngas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird (Schritt S120). In der ersten Ausführungsform wird die Drehzahl der Wasserstoff-Umwälzpumpe 27 in der Steuerung, mit der Wasser aus dem Brenngas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht. Dadurch wird flüssiges Wasser, das lokal im Brenngas-Strömungskanal zurückgeblieben ist, aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ablaufen gelassen, wodurch es möglich ist, eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund des lokalen Überschusses an Restwasser im Brenngas-Strömungsweg zu beseitigen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S120 zu Schritt S100 zurückbringt.
  • Wenn die CPU in Schritt S110 bestimmt, dass der Zustand einer Wasserverteilung ein Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal ist, führt die CPU außerdem eine Steuerung durch, mit der Wasser aus dem Oxidationsgas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird (Schritt S130). In der ersten Ausführungsform wird die Drehzahl des Luftverdichters 31 in der Steuerung, mit der Wasser aus dem Oxidationsgas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, für einen vorgegebenen Zeitraum erhöht und der Öffnungsgrad des Druckregulierungsventils 36 wird vergrößert, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu senken. Dadurch wird flüssiges Wasser, das lokal im Oxidationsgas-Strömungskanal zurückgeblieben ist, aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ablaufen gelassen, wodurch es möglich ist, eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund des lokalen Überschusses an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungsweg zu beseitigen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S130 zu Schritt S100 zurückbringt.
  • Wenn die CPU in Schritt S110 bestimmt, dass der Zustand einer Wasserverteilung ein unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, ermittelt die CPU außerdem die Temperatur T1, die vom Temperatursensor 14a erfasst wird, und die Temperatur T2, die vom Temperatursensor 14b erfasst wird, und lädt den Schwellenwert Tth aus dem ROM (Schritt S140), um (T2 - T1) - Tth zu berechnen (Schritt S150). Dann bestimmt die CPU, ob (T2 - T1) - Tth größer ist als 0 (Schritt S160). Wenn (T2 - T1) - Tth kleiner oder gleich 0 ist (NEIN in Schritt S160), erkennt die CPU, dass keine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund eines unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt S100. Wenn (T2 - T1) - Tth dagegen größer ist als 0 (JA in Schritt S160), erkennt die CPU, dass die oben beschriebene konzentrierte Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und führt eine Steuerung durch, mit der eine Austrocknung verhindert wird (Schritt S170). In der ersten Ausführungsform wird in der Steuerung, mit der eine Austrocknung verhindert wird, der Öffnungsgrad des Druckregulierungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck eines Kathodenabgases während eines vorgegebenen Zeitraums zu erhöhen. Dadurch wird der Verdampfung von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran zu beseitigen. Außerdem kann in der Steuerung, mit der eine Austrocknung verhindert wird, die Drehzahl des Luftkompressors 31 verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu senken oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S170 zum Schritt S100 zurückbringt.
  • 6 ist ein Graph, der ein Verfahren zum Bestimmen des Gegendrucks von Kathodenabgas in der Steuerung, mit der eine Austrocknung verhindert wird, darstellt. Wie oben mit Bezug auf 4 beschrieben worden ist, kann bestimmt werden, dass der Grad einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran umso größer ist, je größer der Temperaturunterschied T2 - T1 in Bezug auf den Schwellenwert Tth ist. In der ersten Ausführungsform wird, wie in 6 dargestellt ist, der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 umso kleiner, je größer der Temperaturunterschied T2 - T1 in Bezug auf den Schwellenwert Tth wird, wodurch der Gegendruck des Kathodenabgases erhöht wird. Dadurch kann die Konzentration der Leistungserzeugung effizient und schnell beseitigt werden. Infolgedessen wird weniger Energie für die Steuerung benötigt, und es ist möglich, einer Abnahme der Energieeffizient im Brennstoffzellensystem 100 entgegenzuwirken.
  • Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform kann einer lokalen Funktionsminderung der jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 12 im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle), die durch eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer Wasserverteilung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Außerdem sind im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der ersten Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, die Temperatursensoren 14a und 14b nicht innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12, sondern am Rahmenelement 14 vorgesehen, so dass im Gegensatz zu den Fall, dass die Temperatursensoren 14a und 14b innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorgesehen sind, eine komplexe Konfiguration des Brennstoffzellenstapels 10 verhindert werden kann und eine Störung des Gasstroms an den Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vermieden werden kann.
  • Außerdem ist der Temperatursensor 14a im Rahmenelement 14 an einem Abschnitt vorgesehen, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Luft in die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 eingeführt wird, das heißt an einen Abschnitt, an dem die Temperatur unschwer abnimmt, und der Temperatursensor 14b ist im Rahmenelement 14 an einem Abschnitt vorgesehen, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Kathodenabgas aus der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ausgeführt wird, das heißt an einem Abschnitt, an dem die Temperatur unschwer steigt, so dass der Unterschied zwischen der Temperatur, die vom Temperatursensor 14a erfasst wird, und der Temperatur, die vom Temperatursensor 14b erfasst wird, relativ groß ist. Somit kann eine nachteilige Auswirkung von Erfassungsfehlern der Temperatursensoren 14a und 14b auf die Bestimmung verringert werden.
  • Nun wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. Die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform ist der Gestaltung des Brennstoffzellensystems 100 gemäß der ersten Ausführungsform gleich, außer dass keine Temperatursensoren 14a und 14b für das in 3 dargestellte Rahmenelement 14 vorgesehen sind. Im Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich ein Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, von dem Steuerverfahren der ersten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird. Im Folgenden wird das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierte Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, und das im Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird, beschrieben.
  • 7 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zeigt, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird und das im Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird von der CPU der Steuereinheit 70 parallel zu einer normalen Betriebssteuerung als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, ausgeführt.
  • Wenn das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gestartet wird, lädt die CPU zu Anfang die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 und führt ein Verfahren zum Ermitteln des Wassergehalts aus (Schritt S200). Das Verfahren zum Ermitteln des Wassergehalts dient dazu, den Wassergehalt der Elektrolytmembran an einem vorgegebenen Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu ermitteln. In der zweiten Ausführungsform wird der Wassergehalt in der Region R der in 3 dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung 12 ermittelt. Die Region R bezeichnet hierbei eine Region, in welcher der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran sehr leicht abnimmt. Man beachte, dass das Verfahren zum Ermitteln des Wassergehalts Teil des Verfahrens zum Ermitteln der Wasserverteilung in dem Steuerverfahren gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegenwirkt wird, und daher wird auf die ausführliche Beschreibung des Verfahrens, mit dem der Wassergehalt ermittelt wird, hier verzichtet.
  • Nun wird die Korrelation zwischen dem Wassergehalt der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 beschrieben.
  • 8 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Wassergehalt und einer erzeugten Leistungsmenge der Elektrolytmembran unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 beschreibt. 8 zeigt die Korrelation zwischen dem Wassergehalt und der erzeugten Leistungsmenge der Elektrolytmembran unter Betriebsbedingungen 1 bis 4, in denen die Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels 10 variiert werden.
  • Wie in dem Graphen dargestellt ist, gibt es unter jeder Betriebsbedingung einen Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso größer ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist, und einen Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso kleiner wird, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist. Die Erfinder haben erkannt, dass es in dem Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso größer ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist, innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 nicht zu einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran kommt, und dass es in einem Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso kleiner ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist, zu einer konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kommt. Außerdem haben die Erfinder erkannt, dass im Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso kleiner ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist, der Grad der Konzentration der Leistungserzeugung umso größer ist, je kleiner der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist. In der zweiten Ausführungsform wird, wie von der abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linie in dem Graphen dargestellt, für jede Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 ein Schwellenwert Cth für den Wassergehalt C der Elektrolytmembran als Grenze zwischen dem Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso größer ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran wird, und dem Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso kleiner ist, je größer der Wassergehalt der Elektrolytmembran ist, definiert und in dem Steuerverfahren verwendet, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, wie nachstehend beschrieben. Beispielsweise wird für die Betriebsbedingung 1 („O“) Cth1 als der Schwellenwert Cth definiert, und für die Betriebsbedingung 4 („0“) wird Cth4, der größer ist als Cthl, als Schwellenwert Cth definiert. Jeder Schwellenwert Cth wird in ein Kennfeld eingetragen.
  • Zurück zu 7: nach dem Verfahren zum Ermitteln des Wassergehalts (Schritt S200) lädt die CPU den Schwellenwert Cth, welcher der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 entspricht, aus dem ROM (Schritt S210) und bestimmt dann, ob der Wassergehalt C kleiner ist als der Schwellenwert Cth (Schritt S220). Wenn der Wassergehalt C größer ist als oder genauso groß ist wie der Schwellenwert Cth (NEIN in Schritt S220), erkennt die CPU, dass innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 keine lokal konzentrierte Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran vorliegt, und bringt das Verfahren zu Schritt S200 zurück. Wenn der Wassergehalt C dagegen kleiner ist als der Schwellenwert Cth (JA in Schritt S220), erkennt die CPU, dass eine konzentrierte Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und führt eine Steuerung durch, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird (Schritt S230). In der zweiten Ausführungsform wird in der Steuerung, mit welcher der Austrocknung entgegengewirkt werden soll, der Öffnungsgrad des Druckregulierungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodenabgases für einen vorgegebenen Zeitraum zu erhöhen. Dadurch wird einer Verdampfung von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran zu beseitigen. Außerdem kann in der Steuerung, mit der dem Austrocknen entgegengewirkt wird, die Drehzahl des Luftverdichters 31 verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu verringern, oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S230 zum Schritt S200 zurückbringt.
  • 9 ist ein Graph, der eine Methode darstellt, mit welcher der Gegendruck des Kathodenabgases in der Steuerung, mit der der Austrocknung entgegengewirkt wird, bestimmt wird. Wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben worden ist, kann in dem Bereich des Wassergehalts, in dem die erzeugte Leistungsmenge umso kleiner ist, je größer der Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, bestimmt werden, dass der Grad der Konzentration der Leistungserzeugung umso größer ist, je mehr der Wassergehalt der Elektrolytmembran sinkt. In der zweiten Ausführungsform wird unter jeder Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 umso mehr verkleinert, je mehr der Wassergehalt C der Elektrolytmembran 36 sinkt, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu senken. Wie in 9 dargestellt ist, wird beispielsweise im Falle der Betriebsbedingung 1 der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 verkleinert, wenn der Wassergehalt C der Elektrolytmembran in Bezug auf den Schwellenwert Cth1 sinkt; im Falle der Betriebsbedingung 4 wird der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 verkleinert, wenn der Wassergehalt C der Elektrolytmembran in Bezug auf den Schwellenwert Cth4 sinkt, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu erhöhen. Dadurch kann die Konzentration der Leistungserzeugung effizient und schnell beseitigt werden. Infolgedessen wird weniger Energie für die Steuerung verbraucht, und einer Abnahme der Energieeffizienz im Brennstoffzellensystem kann entgegengewirkt werden.
  • Auch mit dem solchermaßen beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform kann im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) einer lokalen Funktionsminderung der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die von einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer Wasserverteilung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Außerdem wird in der zweiten Ausführungsform in dem Verfahren zur Ermittlung des Wassergehalts (7, Schritt S200) der Wassergehalt an dem Abschnitt ermittelt, an dem der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran unschwer abnimmt, daher ist es möglich, mit hoher Empfindlichkeit zu bestimmen, ob eine konzentrierte Leistungserzeugung stattfindet. Der Grund dafür ist, dass an dem Abschnitt, an dem der Wassergehalt innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran unschwer abnimmt, der Wassergehalt der Elektrolytmembran sich als Reaktion auf die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 unschwer ändert.
  • Nun wird eine dritte Ausführungsform beschrieben. Die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der dritten Ausführungsform ist der Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform gleich. Jedoch unterscheidet sich im Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, von dem Steuerverfahren der zweiten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegegewirkt wird. Im Folgenden wird das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung im Brennstoffzellensystem entgegengewirkt wird, gemäß der dritten Ausführungsform beschrieben.
  • 10 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zeigt, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, und das im Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird von der CPU der Steuereinheit 70 parallel zu einer normalen Betriebssteuerung als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, ausgeführt.
  • Wenn das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gestartet wird, lädt die CPU zu Anfang die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 und führt ein Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode aus (Schritt S300). Das Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode dient dazu, eine Wasserverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 (eine Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode) zu ermitteln. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine zweidimensionale Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode entlang der Strömungsrichtung des Wasserstoffs und der Strömungsrichtung der Luft ermittelt (siehe 3). Man beachte, dass das Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode durchgeführt werden kann wie im Fall des Verfahrens zum Ermitteln der Wasserverteilung in dem Steuerverfahren gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegenwirkt wird, und daher wird auf die ausführliche Beschreibung des Verfahrens, mit dem der Wassergehalt ermittelt wird, hier verzichtet.
  • Nun wird die Korrelation zwischen der Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 beschrieben.
  • 11A und 11B sind Graphen, welche die Korrelation zwischen der Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung darstellen. 11A zeigt eine Verteilung des Wassergehalts, das innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 von der Anode zur Kathode übergeht (eine Verteilung des Wasserübergangs zwischen Anode und Kathode), wenn der Gegendruck des Kathodenabgases variiert wird. Außerdem zeigt 11B eine Verteilung der Stromdichte, wenn der Gegendruck des Kathodenabgases variiert wird. Man beachte, dass in 11A und in 11B der Gegendruck des Kathodenabgases in der Reihenfolge „O“, „⌷“ , „Δ“, „◊“ und „*“ variiert (Gegendruck des Kathodenabgases: " O " < " □ " < " △ " < " ⋄ " < " * " ) .
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  • Aus 11A geht hervor, dass eine Position, an der die Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode 0 ist, von der Auslassseite des Kathodenabgases (Wasserstoff rein, Luft raus) zur Einlassseite der Luft (Luft rein, Wasserstoff raus) wandert, das heißt ein Koordinatenwert Pos, der den Abstand zwischen einem Abschnitt, von dem aus das Kathodenabgas ausgeführt wird, und einem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode 0 ist, wird größer. Außerdem geht aus 11B hervor, dass die Stromdichte an der Auslassseite des Kathodenabgases geringer wird, die Stromdichte an der Lufteinlassseite zunimmt und eine Verteilung der Stromdichte gleichmäßiger wird, je höher der Gegendruck des Kathodenabgases ist. Die Erfinder haben aus 11A und 11B erkannt, dass eine Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 stattfindet, wenn der Koordinatenwert Pos, der den Abstand zwischen einem Abschnitt, von dem aus Kathodenabgas ausgeführt wird, und einem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode 0 ist, anzeigt, kleiner wird; wohingegen es zu keiner lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kommt, wenn der Koordinatenwert Pos größer wird. In der dritten Ausführungsform wird auf Basis der oben angegebenen Erkenntnisse ein Schwellenwert Posth für den Koordinatenwert Pos definiert, und wenn der Koordinatenwert Pos kleiner ist als der Schwellenwert Posth, wird bestimmt, dass eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt. Außerdem wird bestimmt, dass der Grad der Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umso größer ist, je kleiner der Koordinatenwert Pos ist.
  • Zurück zu 10: nach dem Verfahren zum Ermitteln der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode (Schritt S300) lädt die CPU den Schwellenwert Posth aus dem ROM (Schritt S310) und bestimmt dann, ob der Koordinatenwert Pos kleiner ist als der Schwellenwert Posth (Schritt S320). Wenn der Koordinatenwert Pos größer ist als oder gleich groß ist wie der Schwellenwert Posth (NEIN in Schritt S320), erkennt die CPU, dass in der der Membran-Elektroden-Anordnung 12 keine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran vorliegt, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt 300. Wenn der Koordinatenwert Pos dagegen kleiner ist als der Schwellenwert Posth (JA in Schritt S320), erkennt die CPU, dass eine Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und führt eine Steuerung durch, mit der einer Austrocknung entgegengewirkt wird (Schritt S330). In der dritten Ausführungsform wird in der Steuerung, mit der einer Austrocknung entgegengewirkt wird, der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodenabgases für einen vorgegebenen Zeitpunkt zu erhöhen. Dadurch wird einem Verdampfen von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran entgegenzuwirken. Außerdem kann die Drehzahl des Luftverdichters 31 in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu verringern, oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S330 zum Schritt S300 zurückbringt.
  • 12 ist ein Graph, der ein Verfahren zur Bestimmung des Gegendrucks des Kathodenabgases in der Steuerung darstellt, mit der einer Austrocknung entgegengewirkt wird. Wie oben mit Bezug auf 11A und 11B beschrieben worden ist, kann bestimmt werden, dass der Grad der Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umso höher ist, je kleiner der Koordinatenwert Pos ist, der den Abstand zwischen einem Abschnitt, von dem aus Kathodenabgas ausgeführt wird, und einem Abschnitt, an dem die Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode 0 ist, anzeigt. In der dritten Ausführungsform wird, wie in 12 dargestellt, der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodenabgases zu erhöhen, wenn der Koordinatenwert Pos in Bezug auf den Schwellenwert Posth kleiner wird. Dadurch kann die Konzentration der Leistungserzeugung effizient und schnell beseitigt werden. Infolgedessen wird der Energiebedarf für die Steuerung verringert, und es ist möglich, einer Abnahme der Energieeffizienz im Brennstoffzellensystem entgegenzuwirken.
  • Auch mit dem solchermaßen beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der dritten Ausführungsform kann im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) einer lokalen Funktionsminderung der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die von einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Nun wird eine vierte Ausführungsform beschrieben. Die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vierten Ausführungsform ist der Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform gleich. Jedoch unterscheidet sich im Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, von dem Steuerverfahren der zweiten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird. Im Folgenden wird das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung im Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform entgegengewirkt wird, beschrieben.
  • 13 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zeigt, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird und das im Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird von der CPU der Steuereinheit 70 parallel zu einer normalen Betriebssteuerung als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, ausgeführt.
  • Wenn das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gestartet wird, lädt die CPU zu Anfang die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 und führt ein Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode aus (Schritt S400). Das Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode ist das gleiche wie das Verfahren zum Ermitteln der Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode in der dritten Ausführungsform.
  • Nun wird die Korrelation zwischen der Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung beschrieben.
  • 14A und 14B sind Graphen, welche die Korrelation zwischen einer Verteilung einer Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung darstellen. 14A zeigt eine Verteilung des Wassergehalts, der innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 von der Anode zur Kathode übergeht (eine Verteilung des Wasserübergangs zwischen Anode und Kathode), wenn der Gegendruck des Kathodenabgases variiert wird. Außerdem zeigt 14B eine Verteilung der Stromdichte, wenn der Gegendruck des Kathodenabgases variiert wird. Man beachte, dass in 14A und in 14B der Gegendruck des Kathodenabgases in der Verteilung, die mit „*“ bezeichnet ist, höher ist als in der Verteilung, die mit „O“ bezeichnet ist.
  • Aus 14A geht hervor, dass die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist, wenn der Gegendruck des Kathodenabgases relativ niedrig ist; während die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, keinen Wendepunkt aufweist, wenn der Gegendruck des Kathodenabgases relativ hoch ist. Außerdem geht aus 14B (11B) auch hervor, dass die Stromdichte an der Auslassseite des Kathodenabgases geringer wird, die Stromdichte an der Lufteinlassseite zunimmt und eine Verteilung der Stromdichte gleichmäßiger wird, je höher der Gegendruck des Kathodenabgases ist. Die Erfinder haben aus 14A und 14B erkannt, dass eine Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 stattfindet, wenn die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist; während keine Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 stattfindet, wenn die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, keinen Wendepunkt aufweist. In der vierten Ausführungsform wird auf Basis der oben beschriebenen Erkenntnisse bestimmt, dass innerhalb der Membran-Elektroden-Anordnung 12 eine lokal konzentrierte Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran vorliegt, wenn die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist.
  • Zurück zu 13: nach dem Verfahren zum Ermitteln der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode (Schritt S400) ruft die die CPU eine Funktion ab, die eine Verteilung der Wasserübertragungsmenge zwischen Anode und Kathode bestimmt, unterzieht die Funktion einer Differenzierung zweiter Ordnung (Schritt S410) und bestimmt dann, ob die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, einen Wendepunkt aufweist (Schritt S420). Wenn die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen Anode und Kathode ausdrückt, keinen Wendepunkt aufweist (NEIN in Schritt S420), erkennt die CPU, dass keine lokale Konzentration der Leistungserzeugung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran in der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt S400. Wenn die Funktion, die eine Verteilung einer Wasserübergangsmenge zwischen einer Anode und einer Kathode dagegen einen Wendepunkt aufweist (JA in Schritt S420), erkennt die CPU, dass die oben beschriebene Konzentration der Leistungserzeugung inerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorliegt, und führt eine Steuerung aus, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird (Schritt S430). In der vierten Ausführungsform wird in der Steuerung, mit der einer Austrocknung entgegengewirkt wird, der Öffnungsgrad des Druckregelungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodenabgases für einen vorgegebenen Zeitraum zu erhöhen. Dadurch wird einem Verdampfen von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran entgegenzuwirken. Außerdem kann die Drehzahl des Luftverdichters 31 in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu verringern, oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU nach Schritt S430 das Verfahren zum Schritt S400 zurückbringt.
  • Auch mit dem solchermaßen beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform kann im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) einer lokalen Funktionsminderung der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die von einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer Wasserverteilung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Nun wird eine fünfte Ausführungsform beschrieben. Die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der fünften Ausführungsform ist der Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform gleich. Jedoch unterscheidet sich im Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, von dem Steuerverfahren der zweiten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird. Im Folgenden wird das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung im Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform entgegengewirkt wird, beschrieben.
  • 15 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zeigt, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, und das im Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird von der CPU der Steuereinheit 70 parallel zu einer normalen Betriebssteuerung als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, ausgeführt.
  • Wenn das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gestartet wird, lädt die CPU zu Anfang die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 und fragt einen Spitzenstrom Ip innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ab (Schritt S500). Der Spitzenstrom innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kann beispielsweise unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds mit verschiedenen Parametern in der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 als Variable ermittelt werden.
  • Anschließend lädt die CPU einen Schwellenwert Ipth für den Spitzenstrom Ip aus dem ROM (Schritt S510) und bestimmt dann, ob der Spitzenstrom Ip, der in Schritt S500 abgefragt worden ist, größer ist als der Schwellenwert Ipth (Schritt S520). Wenn der Spitzenstrom Ip kleiner ist als oder gleich groß ist wie der Schwellenwert Ipth (NEIN in Schritt S520), erkennt die CPU, dass es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 nicht zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran gekommen ist, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt S500. Wenn der Spitzenstrom Ip jedoch größer ist als der Schwellenwert Ipth (JA in Schritt S520), erkennt die CPU, dass es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu einer Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist, und führt die Steuerung aus, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird (Schritt S530). In der fünften Ausführungsform wird in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen dem Gegendruck des Kathodenabgases und dem Spitzenstrom Ip (siehe 16) der Öffnungsgrad des Gegendruck-Regelungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodengases für einen vorgegebenen Zeitraum zu erhöhen, so dass der Spitzenstrom Ip kleiner ist als oder gleich groß ist wie der Schwellenwert Ipth. Dadurch wird einem Verdampfen von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, einer lokalen Konzentration der Leistungsverteilung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran entgegenzuwirken. Außerdem kann die Drehzahl des Luftverdichters 31 in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu verringern, oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S530 zum Schritt S400 zurückbringt.
  • 16 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Gegendruck des Kathodenabgases und einem Spitzenstrom Ip unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Wie von „⌷“ in dem Graphen dargestellt ist, kann beispielsweise abhängig von der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 der Spitzenstrom Ip möglicherweise größer werden und dadurch eine Konzentration der Leistungserzeugung erleichtern, auch wenn der Steuerwert für den Gegendruck des Kathodenabgases auf einen Steuerwert b gesetzt wird, der größer ist als ein Steuerwert a, während der Steuerwert der Steuerwert a ist und der Spitzenstrom Ip größer ist als der Schwellenwert Ipth. In einem solchen Fall wird der Gegendruck des Kathodenabgases unter Bezugnahme auf das dargestellte Profil (Kennfeld) sofort in einen Steuerwert c geändert, bei dem der Spitzenstrom Ip kleiner ist als der Schwellenwert Ipth. Dadurch kann die Konzentration der Leistungserzeugung effizient und schnell beseitigt werden.
  • Auch mit dem solchermaßen beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform kann im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) einer lokalen Funktionsminderung der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die von einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer Wasserverteilung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Nun wird eine sechste Ausführungsform beschrieben. Die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der sechsten Ausführungsform ist der Gestaltung des Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform gleich. Jedoch unterscheidet sich im Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, von dem Steuerverfahren der zweiten Ausführungsform, mit dem einer konzentrierte Leistungserzeugung entgegengewirkt wird. Im Folgenden wird das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung im Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform entgegengewirkt wird, beschrieben.
  • 17 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Steuerverfahrens zeigt, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, und das im Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform ausgeführt wird. Dieses Verfahren wird von der CPU der Steuereinheit 70 parallel zu einer normalen Betriebssteuerung als Reaktion auf eine Ausgangsleistung, die vom Brennstoffzellenstapel 10 gefordert wird, ausgeführt.
  • Wenn das Steuerverfahren, mit dem einer konzentrierten Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gestartet wird, lädt die CPU zu Anfang die Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 und fragt eine Stromdichteverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ab (Schritt S600). Die Stromdichteverteilung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kann beispielsweise unter Verwendung einer Funktion oder eines Kennfelds mit verschiedenen Parametern in der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10 als Variable ermittelt werden.
  • Anschließend fragt die CPU eine Standardabweichung Vi der Stromdichteverteilung ab, die in Schritt S600 ermittelt worden ist. Dann lädt die CPU einen Schwellenwert Vith für die Standardabweichung Vi aus dem ROM (Schritt S620) und bestimmt, ob die Standardabweichung Vi größer ist als der Schwellenwert Vith (Schritt S630). Wenn die Standardabweichung Vi kleiner ist als oder gleich groß ist wie der Schwellenwert Vith (NEIN in Schritt S630), erkennt die CPU, dass es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 nicht zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung aufgrund eines lokal unzureichenden Wassergehalts innerhalb der Ebene der Elektrolytmembran gekommen ist, und bringt das Verfahren zurück zu Schritt S600. Wenn die Standardabweichung Vi jedoch größer ist als der Schwellenwert Vith (JA in Schritt S630), erkennt die CPU, dass es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu einer Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist, und führt die Steuerung aus, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird (Schritt S640). In der sechsten Ausführungsform wird in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, unter Berücksichtigung der Korrelation zwischen dem Gegendruck des Kathodenabgases und der Standardabweichung Vi (siehe 18) der Öffnungsgrad des Gegendruck-Regelungsventils 36 verkleinert, um den Gegendruck des Kathodengases für einen vorgegebenen Zeitraum zu erhöhen. Dadurch wird einem Verdampfen von Wasser aus der Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Anordnung 12 entgegengewirkt, wodurch es möglich ist, der lokalen Konzentration der Leistungsverteilung wegen eines lokal unzureichenden Wassergehalts in der Elektrolytmembran entgegenzuwirken. Außerdem kann die Drehzahl des Luftverdichters 31 in der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, verringert werden, um die Strömungsrate von Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu verringern, oder die Drehzahl der Wasserstoffumwälzpumpe 27 kann erhöht werden, um die Strömungsrate von Wasserstoff, der zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, zu erhöhen. Man beachte, dass die CPU das Verfahren nach Schritt S630 zum Schritt S600 zurückbringt.
  • 18 ist ein Graph, der die Korrelation zwischen dem Gegendruck des Kathodenabgases und der Standardabweichung Vi einer Stromdichteverteilung unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Beispielsweise kann unter der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenstapels 10, die im Graphen mit „Δ“ angezeigt ist, der Gegendruck des Kathodenabgases unter Bezugnahme auf das dargestellte Profil (Kennfeld) sofort in einen Steuerwert c geändert, bei dem die Standardabweichung Vi der Stromdichteverteilung kleiner ist als der Schwellenwert Vith, wenn der Steuerwert des Gegendrucks des Kathodenabgases ein Steuerwert d ist und die Standardabweichung Vi einer Stromdichteverteilung größer ist als der Schwellenwert Vith. Dadurch kann die Konzentration der Leistungserzeugung effizient und schnell beseitigt werden.
  • Auch mit dem solchermaßen beschriebenen Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten Ausführungsform kann im Brennstoffzellenstapel 10 (in der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle) einer lokalen Funktionsminderung der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen 12, die von einer lokal konzentrierten Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 aufgrund einer Wasserverteilung bewirkt wird, entgegengewirkt werden.
  • Vorstehend sind die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Der Aspekt der Erfindung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die folgenden alternativen Ausführungsformen angewendet werden.
  • Es wird eine erste alternative Ausführungsform beschrieben. In der ersten Ausführungsform sind die Temperatursensoren 14a und 14B für das Rahmenelement 14 an einem Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Luft in die Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 eingeführt wird, an der Auslassseite des Kühlmittels und an einem Abschnitt, der an einen Abschnitt angrenzt, von dem aus Kathodenabgas aus der Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 12 ausgeführt wird, an der Auslassseite des Kühlmittels vorgesehen; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Die Temperatursensoren 14a und 14b müssen lediglich an Abschnitten vorgesehen sein, an denen die Korrelation zwischen den Temperaturen T1 und T2 und der lokalen Konzentration der Leistungserzeugung der Membran-Elektroden-Anordnung 12 vorab bekannt ist.
  • Es wird eine zweite alternative Ausführungsform beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird die Bestimmung in Bezug auf die Konzentration der Leistungserzeugung auf Basis des Unterschieds zwischen der Temperatur T2 und der Temperatur T1 getroffen; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Beispielsweise kann eine Bestimmung in Bezug auf die Konzentration der Leistungserzeugung auf Basis des Verhältnisses zwischen der Temperatur T2 und der Temperatur T1 bestimmt werden.
  • Es wird eine dritte alternative Ausführungsform beschrieben. In dem Steuerverfahren gemäß der ersten Ausführungsform, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, werden eine Steuerung, mit der Wasser aus einem Brenngas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, eine Steuerung, mit der Wasser aus einem Oxidationsgas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, und eine Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, separat ausgeführt; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Beispielsweise können die Steuerung, mit der Wasser aus dem Brenngas-Strömungsweg ablaufen gelassen wird, und die Steuerung, mit der Wasser aus dem Oxidationsgas-Strömungsweg ablaufen gelassen wird, parallel zueinander ausgeführt werden, wenn ein Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungsweg und ein Überschuss von Restwasser im Oxidationsgas-Strömungsweg aufgrund des Bestimmungsergebnisses in Schritt S110 von 5 erfasst worden sind.
  • Es wird eine vierte alternative Ausführungsform beschrieben. Die Verfahren von Schritt S100 bis Schritt S130 in dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, können auf die Verfahren, mit denen einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gemäß den zweiten bis sechsten Ausführungsformen angewendet werden.
  • Es wird eine fünfte alternative Ausführungsform beschrieben. In dem Steuerverfahren gemäß der ersten Ausführungsform, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, können die Verfahren von Schritt S100 bis Schritt S130 weggelassen werden.
  • Es wird eine sechste alternative Ausführungsform beschrieben. In den ersten bis dritten Ausführungsformen wird in dem Steuerverfahren, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, der Gegendruck des Kathodenabgases als Reaktion auf den Grad der lokalen Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 linear geändert; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Beispielsweise kann der Gegendruck des Kathodenabgases als Reaktion auf den Grad der Konzentration der Leistungserzeugung schrittweise geändert werden.
  • Es wird eine siebte alternative Ausführungsform beschrieben. In den ersten bis dritten Ausführungsformen wird in dem Steuerverfahren, mit dem einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, eine Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, für einen vorgegebenen Zeitraum durchgeführt; jedoch ist der Aspekt der Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Ein Zeitraum (eine Dauer), über den die Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, ausgeführt wird, während das Maß der Zunahme des Gegendrucks des Kathodenabgases konstant gehalten wird, kann als Reaktion auf den Grad der lokalen Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 geändert werden. Beispielswise kann die Dauer der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, umso mehr verlängert werden, je höher der Grad der lokalen Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 wird.
  • Es wird eine achte alternative Ausführungsform beschrieben. In dem Steuerverfahren gemäß den fünften und sechsten Ausführungsformen können die Steuerung, mit der Wasser aus einem Brenngas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, und die Steuerung, mit der Wasser aus einem Oxidationsgas-Strömungskanal ablaufen gelassen wird, weiter ausgeführt werden, wenn die Konzentration der Leistungserzeugung nach der Steuerung, mit der einem Austrocknen entgegengewirkt wird, nicht beseitigt worden ist.
  • Es wird eine neunte alternative Ausführungsform beschrieben. In dem Steuerverfahren gemäß den ersten bis sechsten Ausführungsformen kann die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 berücksichtigt werden, um zu bestimmen, ob es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Der Grund dafür ist, dass die wirksame Leistungserzeugungsfläche abnimmt, wenn es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer Konzentration der Leistungserzeugung kommt, und daher die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 in den meisten Fällen unter eine gewünschte Ausgangsleistung sinkt.
  • Außerdem kann in den Steuerverfahren, mit denen einer Konzentration der Leistungserzeugung entgegengewirkt wird, gemäß den ersten bis sechsten Ausführungsformen der Wechselstromwiderstand des Brennstoffzellenstapels 10 berücksichtigt werden, um zu bestimmen, ob es innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zu einer lokalen Konzentration der Leistungserzeugung gekommen ist. Der Grund dafür ist, dass der Wechselstromwiderstand des Brennstoffzellenstapels 10 in einem kurzen Zeitraum über einen gewünschten Wert ansteigt oder sich stark ändert, wenn es zu einer Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung 12 kommt.

Claims (9)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (12), in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, die aus einem festen Polymer gebildet ist; einem Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang einer Oberfläche der Anode strömen kann; einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang einer Oberfläche der Kathode strömen kann; einer Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40), die durch den Brenngas-Strömungskanal Brenngas zur Anode liefert und Anodenabgas, das aus der Anode ausgeführt wird, ausführt; und eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40), die durch den Oxidationsgas-Strömungskanal Oxidationsgas zur Kathode liefert und Kathodenabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, ausführt, wobei das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es ferner aufweist: ein Rahmenelement (14), das an einem äußeren Randabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (12) vorgesehen ist; einen ersten Temperatursensor (14a), der an einem ersten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist, und der verwendet wird, um die Temperatur eines ersten Abschnitts zu erfassen; einen zweiten Temperatursensor (14b), der an einem zweiten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist, dessen Temperatur höher ist als die des ersten Rahmenelements, und der verwendet wird, um eine Temperatur des zweiten Abschnitts zu erfassen; und eine Steuereinheit (70), die dafür ausgelegt ist, um zu bestimmen, ob in der Brennstoffzelle ein Phänomen auftritt, wonach in Folge einer Wasserverteilung, einschließlich einer Verteilung eines Wassergehalts innerhalb einer Ebene der Elektrolytmembran, einer Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und einer Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung (12) auftritt, bei welcher die erzeugte Leistungsmenge pro Flächeneinheit lokal einen zulässigen Wert überschreitet; und die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so zu steuern, dass das Phänomen beseitigt wird, wenn die Steuereinheit (70) bestimmt, dass das Phänomen auftritt, wobei die Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie bestimmt, ob ein Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und, wenn der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts kleiner wird als oder gleich groß wird wie der vorgegebene Schwellenwert.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) ferner so gestaltet ist, dass sie in Bezug auf die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) zumindest einen Steuerwert für die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) auf der Basis eines Unterschieds zwischen dem vorgegebenen Schwellenwert und dem Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts bestimmt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt ein Abschnitt ist, der angrenzend an einen Abschnitt angeordnet ist, vom dem aus das Oxidationsgas in die Kathode eingeführt wird, und der zweite Abschnitt ein Abschnitt ist, der angrenzend an einen Abschnitt angeordnet ist, von dem aus das Kathodenabgas aus der Kathode ausgeführt wird.
  4. Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (12), in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, die aus einem festen Polymer gebildet ist, einem Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang einer Oberfläche der Anode strömen kann; einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang einer Oberfläche der Kathode strömen kann; einer Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40), die durch den Brenngas-Strömungskanal Brenngas zur Anode liefert und Anodenabgas, das aus der Anode ausgeführt wird, ausführt; und eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40), die durch den Oxidationsgas-Strömungskanal Oxidationsgas zur Kathode liefert und Kathodenabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, ausführt, wobei das Brennstoffzellensystem ferner aufweist: eine Steuereinheit (70), die dafür ausgelegt ist, um zu bestimmen, ob in der Brennstoffzelle ein Phänomen auftritt, wonach in Folge einer Wasserverteilung, einschließlich einer Verteilung eines Wassergehalts innerhalb einer Ebene der Elektrolytmembran, einer Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und einer Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung (12) auftritt, bei welcher die erzeugte Leistungsmenge pro Flächeneinheit lokal einen zulässigen Wert überschreitet ; und die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so zu steuern, dass das Phänomen beseitigt wird, wenn die Steuereinheit (70) bestimmt, dass das Phänomen auftritt, wobei die Steuereinheit (70) ferner so gestaltet ist, dass sie die Wasserverteilung auf Basis einer Betriebsbedingung der Brennstoffzelle ermittelt, und auf Basis der Wasserverteilung bestimmt, ob eine Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung in einem lokal unzureichenden Wassergehalt in der Elektrolytmembran, einem lokalen Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal oder einem lokalen Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal liegt, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) auf Basis der bestimmten Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung steuert, und dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas so steuert, dass eine Strömungsrate des Brenngases, das zur Anode geliefert wird, erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass ein Gegendruck des Kathodenabgases erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Kathode geliefert wird, gesenkt wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokal unzureichender Wassergehalt in der Elektrolytmembran ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) so steuert, dass eine Strömungsrate des Brenngases, das zur Anode geliefert wird, erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Brenngas-Strömungskanal ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (70) so gestaltet ist, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass eine Strömungsrate des Oxidationsgases, das zur Kathode geliefert wird, erhöht wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit so gestaltet ist, dass sie die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so steuert, dass ein Gegendruck des Kathodenabgases verringert wird, wenn bestimmt wird, dass die Ursache für die Konzentration der Leistungserzeugung ein lokaler Überschuss an Restwasser im Oxidationsgas-Strömungskanal ist.
  9. Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (12), in der eine Anode und eine Kathode an die beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran gebunden sind, die aus einem festen Polymer gebildet ist, einem Brenngas-Strömungskanal, durch den Brenngas entlang einer Oberfläche der Anode strömen kann, und einem Oxidationsgas-Strömungskanal, durch den Oxidationsgas entlang einer Oberfläche der Kathode strömen kann; eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40), die über den Brenngas-Strömungskanal Brenngas zur Anode liefert und Anodenabgas, das aus der Anode ausgeführt wird, ausführt; eine Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40), die über den Oxidationsgas-Strömungskanal Oxidationsgas zur Kathode liefert und Kathodenabgas, das aus der Kathode ausgeführt wird, ausführt; ein Rahmenelement (14), das an einem äußeren Randabschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (12) vorgesehen ist; einen ersten Temperatursensor (14a), der an einem ersten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist und der verwendet wird, um eine Temperatur des ersten Abschnitts zu erfassen; und einen zweiten Temperatursensor (14b), der an einem zweiten Abschnitt des Rahmenelements (14) vorgesehen ist, dessen Temperatur höher ist als die Temperatur des ersten Abschnitts, und der verwendet wird, um eine Temperatur des zweiten Abschnitts zu erfassen; wobei das Steuerverfahren dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: Bestimmen, ob in der Brennstoffzelle ein Phänomen auftritt, wonach in Folge einer Wasserverteilung, einschließlich einer Verteilung eines Wassergehalts innerhalb einer Ebene der Elektrolytmembran, einer Restwasserverteilung im Brenngas-Strömungskanal und einer Restwasserverteilung im Oxidationsgas-Strömungskanal, eine lokale Konzentration der Leistungserzeugung innerhalb einer Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung (12) auftritt, bei welcher die erzeugte Leistungsmenge pro Einheitsfläche einen zulässigen Wert lokal überschreitet,; und Steuern der Einheit zum Zu- Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder der Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40), um das Phänomen zu beseitigen, wenn bestimmt wird, dass das Phänomen auftritt, wobei bestimmt wird, ob ein Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und wenn der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts größer ist als der vorgegebene Schwellenwert, die Einheit zum Zu- und Ausführen von Brenngas (20, 21, 22, 23, 24, 24P, 25, 26, 27, 27F, 28, 29, 40) und/oder die Einheit zum Zu- und Ausführen von Oxidationsgas (30, 31, 31F, 32, 33, 34, 35, 35P, 36, 37, 40) so gesteuert wird, dass der Unterschied zwischen der Temperatur des zweiten Abschnitts und der Temperatur des ersten Abschnitts kleiner wird als oder gleich groß wird wie der vorgegebene Schwellenwert.
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