DE112019006607T5 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum steuern eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum steuern eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Kühlwasserbehälter mit einem Kühlwasser-Zufuhranschluss, mit dem eine Kühlwasser-Zufuhrleitung, die mit einem Kühlwasser-Einlassverteiler gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftauslassverteiler gekoppelt ist, der mit dem Kühlwasserbehälter an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei der Kühlwasserbehälter konfiguriert ist, um Kühlwasser von dem Kühlwasser-Einlassverteiler zuzuführen, und einen Druckverlustteil, mit dem eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luft-Ausstoßanschluss des Kühlwasserbehälters gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, und mit dem eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Brennstoff-Auslassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist.

Description

  • Gebiet
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems.
  • Hintergrund
  • In einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der eine Brennstoffelektrode, eine feste Polymerelektrolytmembran, eine Oxidationselektrode und einen in Schichten ausgebildeten Separator umfasst, wird ein Wasserstoff-enthaltenes Brennstoffgas der Brennstoffelektrode zugeführt, und ein Sauerstoff-enthaltenes Gas, das Sauerstoff enthält, wird der Oxidationselektrode zugeführt, so dass durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugt wird. Unterdessen weist die feste Polymerelektrolytmembran solche Eigenschaften auf, dass ihr Feuchtigkeitsgehalt mit einem Gleichgewichtsdampfdruck geändert wird, wodurch sich ihr Widerstand ändert. Deshalb ist es zur Verringerung des Widerstands der Elektrolytmembran und zum Erhalten einer ausreichenden Energieerzeugungsleistung erforderlich, die feste Polymerelektrolytmembran zu befeuchten. Herkömmlich bekannte Befeuchtungsverfahren sind ein externes Befeuchtungsverfahren, das Wasserdampf zu einem Brennstoffgas und/oder einem Oxidationsmittelgas im Voraus hinzufügt, und ein internes Befeuchtungsverfahren, das Wasser über einen Separator direkt hinzufügt.
  • Ferner ist ein Kühlen erforderlich, um durch eine Zellreaktion erzeugte Hitze zu entfernen. Beispiele von Kühlverfahren umfassen ein Verfahren, das bewirkt, dass Wasser oder Luft zu einer Kühlplatte strömt, die in jeder Vielzahl von Zellen eingefügt ist, um ein Kühlen durchzuführen, und ein Verfahren, das ein Kühlen mit einer latenten Verdampfungshitze des durch interne Befeuchtung zugeführten Wassers durchführt. Ein Befeuchtungsverfahren und ein Kühlverfahren weisen eine enge Beziehung auf. Bei dem externen Befeuchtungsverfahren wird ein Kühlwasserdurchgang alle paar Zellen gemäß dem Zustand einer Hitzeerzeugung in einem Betriebszustand eingefügt. Bei dem Separator wird ein dichtes leitendes Material zum Ausbilden eines Brennstoffgasdurchgangs, eines Oxidationsgasdurchgangs und des Kühlwasserdurchgangs verwendet, und bildet eine Konfiguration aus, die ein Austreten verhindern kann. In einem Fall, in dem die Durchgänge an beiden Oberflächen dieses Separators vorgesehen sind, beträgt die Anzahl an Separatoren in jeder Zelle eins bis zwei.
  • Bei dem Verfahren einer internen Befeuchtung und einer latenten Hitzekühlung wird Befeuchtungswasser einem Gasdurchgang aus einem Kühlwasserdurchgang zugeführt, der auf derselben Separatorfläche wie der Gasdurchgang vorgesehen ist, und ein Kühlen wird mit einer latenten Hitze einer Verdampfung des Befeuchtungswassers durchgeführt. Ein dichtes leitendes Material wird für den Separator verwendet, um ein Austreten zu verhindern. Eine Kühlplatte kann weggelassen werden, und die Anzahl an Separatoren pro Zelle beträgt eins. Bei dem externen Befeuchtungsverfahren und dem Verfahren einer internen Befeuchtung und einer latenten Hitzekühlung wird durch eine Reaktion erzeugtes Wasser als Wasserdampf aufgefangen und zusammen mit einem unreagierten Gas ausgestoßen. Der Dampfdruck in dem Gasdurchgang wird hoch, um den Widerstand der Elektrolytmembran gering zu halten, und Wasser wird wegen der Verwendung eines dichten Materials für den Separator kondensiert. Deshalb werden Gasdiffusionsschichten in der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode mit Wasser blockiert, so dass eine Gasdiffusion verhindert wird. Dieses Phänomen wird Fluten genannt und stellt einen Faktor einer Leistungsverschlechterung einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle dar.
  • Bei einem Befeuchtungs- und Kühlverfahren, das eine leitende poröse Platte mit feinen Löchern verwendet, ist ein Kühlwasserdurchgang für jede Zelle vorgesehen, und eine Befeuchtung wird durchgeführt, indem allgemein Kühlwasser Gasdurchgängen über die leitende poröse Platte zugeführt wird. In diesem Fall werden erzeugtes Wasser und kondensiertes Wasser durch die leitende poröse Platte entfernt. Deshalb ist der Druck eines Brennstoffgases und eines Oxidationsmittelgases größer als der Druck des Kühlwassers, um zu verhindern, dass die Gase austreten, und eine gleichmäßige Befeuchtung und Kühlung werden in einer Reaktionsoberfläche durchgeführt. Ferner ist ein Druckeinstellbehälter zwischen einem Oxidationsmittelgasdurchgang und dem Kühlwasserdurchgang vorgesehen, um einen Differenzialdruck zwischen dem Oxidationsmittelgas und dem Kühlwasser zu erzeugen, wenn das Oxidationsmittelgas mit Druck beaufschlagt wird.
  • Allerdings erfordert die Steuerung des Differenzialdrucks zwischen dem Oxidationsmittelgas und dem Kühlwasser eine Verzweigungsleitung für jeden des Oxidationsmittelgasdurchgangs und des Kühlwasserdurchgangs. Außerdem ist der Druckeinstellbehälter erforderlich. Demgemäß wird ein System kompliziert.
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: Nationale japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. H11-508726
  • Zusammenfassung
  • Technisches Problem
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das einen Betriebsdruck in einem Zustand einstellen kann, in dem der Druck von zumindest einem eines Brennstoffgases in einem Brennstoffelektrodendurchgang und eines Oxidationsmittelgases in einem Oxidationselektrodendurchgang auf einem größeren Wert gehalten wird als der Druck von Kühlwasser in einem Kühlwasserdurchgang.
  • Lösung des Problems
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem Brennstoffelektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein aus einem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang zuzuführendes Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode zuzuführen, einem Oxidationselektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein Sauerstoff-enthaltenes Gas einer Oxidationselektrode zuzuführen, und einem Kühlwasserdurchgang versehen ist, der von zumindest entweder dem Brennstoffelektrodendurchgang oder dem Oxidationselektrodendurchgang durch ein leitendes poröses Material isoliert ist; einen Kühlwasserbehälter, der einen Kühlwasser-Zufuhranschluss aufweist, mit dem eine Kühlwasser-Zufuhrleitung, die an einem Ende mit einem Kühlwasser-Einlassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromaufwärtigen Einlass des Kühlwasserdurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftauslassverteiler gekoppelt ist, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, der mit dem Kühlwasserbehälter an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei der Kühlwasserbehälter konfiguriert ist, um Kühlwasser von dem Kühlwasser-Einlassverteiler zuzuführen; und einen Druckverlustteil, mit dem eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftausstoßanschluss des Kühlwasserbehälters gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, und mit dem eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Brennstoffauslassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist.
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem Brennstoffelektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein aus einem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang zuzuführendes Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode zuzuführen, einem Oxidationselektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein Sauerstoff-enthaltenes Gas einer Oxidationselektrode zuzuführen, und einem Kühlwasserdurchgang versehen ist, der von zumindest entweder dem Brennstoffelektrodendurchgang oder dem Oxidationselektrodendurchgang durch ein leitendes poröses Material isoliert ist; einen Kühlwasserbehälter, der einen Kühlwasser-Zufuhranschluss aufweist, mit dem eine Kühlwasser-Zufuhrleitung, die an einem Ende mit einem Kühlwasser-Einlassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromaufwärtigen Einlass des Kühlwasserdurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftauslassverteiler gekoppelt ist, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, der mit dem Kühlwasserbehälter an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei der Kühlwasserbehälter konfiguriert ist, um Kühlwasser von dem Kühlwasser-Einlassverteiler zuzuführen; und einen Druckverlustteil, mit dem eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftausstoßanschluss des Kühlwasserbehälters gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, und mit dem eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Brennstoffauslassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei das Verfahren ein Einstellen eines Differenzialdrucks zwischen einem Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler und einem Luftdruck in einem Luft-Auslassverteiler, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, um eine Ausstoßmenge von dem Kühlwasserdurchgang aufweist.
  • Effekt der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Betriebsdruck in einem Zustand einzustellen, in dem der Druck von zumindest einem eines Brennstoffgases in einem Brennstoffelektrodendurchgang und eines Oxidationsmittelgases in einem Oxidationselektrodendurchgang auf einem größeren Wert gehalten wird als der Druck von Kühlwasser in einem Kühlwasserdurchgang.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems.
    • 2 ist eine Draufsicht, die eine interne Struktur eines Brennstoffzellenstapels eines festen Polymertyps darstellt.
    • 3 ist ein Diagramm, das einen A-A'-Querschnitt in 2 schematisch darstellt.
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerbeispiel in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
    • 5 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert erläutert. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich Beispiele der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar, und es ist nicht zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. In den Zeichnungen, auf die in den Ausführungsbeispielen Bezug genommen wird, sind dieselben Teile oder Teile mit identischen Funktionen durch dieselben oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, und es liegt ein Fall vor, in dem redundante Erläuterungen derselben weggelassen werden. Ferner liegen der Einfachheit halber Fälle vor, in denen Dimensionsverhältnisse der Teile in den Zeichnungen von denen tatsächlicher Produkte verschieden sind, und ein Teil von Konfigurationen in den Zeichnungen weggelassen werden.
  • (Erstes Ausführungsbeispiel)
  • Zunächst wird eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems 1 mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 1. Wie in 1 dargestellt, ist das Brennstoffzellensystem 1 ein System, das in der Lage ist, von einer Brennstoffelektrode einer Brennstoffzelle während einer Energieerzeugung auszustoßendes Anodenabgas wieder zu verwenden, und das konfiguriert ist, um eine Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2, Brennstoffgas-Ausstoßleitungen 3 und 6, eine Brennstoffgas-Rückführleitung 4, eine Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10, eine Kühlwasser-Zufuhrleitung 12, eine Kühlwasser-Ausstoßleitung 14, eine Aufgestautes-Wasser-Ausstoßleitung 16, eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18, eine externe Ausstoßleitung 20, einen Brennstoffzellenstapel 100, einen Kühlwasserbehälter 110, einen Druckverlustteil 120, einen ersten Zufuhrteil 130, einen zweiten Zufuhrteil 140, einen dritten Zufuhrteil 145, einen Ausstoßteil 150, ein Ausstoßventil 180, eine Kühlwasser-Zufuhrvorrichtung 190 und eine Steuervorrichtung 195 zu umfassen. 1 stellt ferner Luftdruck-Messinstrumente V1 und V2 sowie ein Wasserdruck-Messinstrument V3 dar.
  • 2 ist eine Draufsicht, die eine interne Struktur des Brennstoffzellenstapels 100 eines festen Polymertyps darstellt. Wie in 2 dargestellt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 100 eine Brennstoffzelle 115, einen Brennstoff-Einlassverteiler 200, einen Brennstoff-Auslassverteiler 202, einen Luft-Einlassverteiler 204, einen Luft-Auslassverteiler 206, einen Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und einen Kühlwasser-Auslassverteiler 210. Die Brennstoffzelle 115 ist ein elektromotorischer Abschnitt und ihre detaillierten Konfigurationen werden nachstehend beschrieben. Wie vorstehend beschrieben, sind der Brennstoff-Einlassverteiler 200, der Brennstoff-Auslassverteiler 202, der Luft-Einlassverteiler 204, der Luft-Auslassverteiler 206, der Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und der Kühlwasser-Auslassverteiler 210 um die Brennstoffzelle 115 herum vorgesehen.
  • Die Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 ist mit einem Einlass J1 des Brennstoff-Einlassverteilers 200 des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden. Ein Wasserstoff-enthaltenes Gas wird der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 als ein Brennstoffgas zugeführt. Demgemäß konfiguriert die Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 einen Brennstoffgasdurchgang, der das Brennstoffgas einem Brennstoffelektrodendurchgang 100a des Brennstoffzellenstapels 100 zuführt.
  • Die Brennstoffgas-Ausstoßleitungen 3 und 6 sind mit einem Auslass J2 des Brennstoff-Auslassverteilers 202 des Brennstoffzellenstapels 100 an einem Ende und mit einem Einlass J5 des Druckverlustteils 120 über einen Verzweigungsabschnitt J4 an dem anderen Ende verbunden. D.h., die Brennstoffgas-Ausstoßleitung 3 ist eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung von dem Auslass J2 des Brennstoff-Auslassverteilers 202 zu dem Verzweigungsabschnitt J4, und die Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 ist eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung von dem Verzweigungsabschnitt J4 zu dem Einlass J5 des Druckverlustteils 120. Diese Brennstoffgas-Ausstoßleitungen 3 und 6 konfigurieren einen Brennstoffgas-Ausstoßdurchgang, der ein Anodenabgas ausstößt.
  • Die Brennstoffgas-Rückführleitung 4 ist mit dem Verzweigungsabschnitt J4 zwischen den Brennstoffgas-Ausstoßleitungen 3 und 6 und mit einer Kreuzung J3 der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 an dem anderen Ende verbunden.
  • Die Brennstoffgas-Rückführleitung 4 führt das aus dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a des Brennstoffzellenstapels 100 ausgestoßene Anodenabgas über die Kreuzung J3 der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 zurück. Demgemäß konfiguriert die Brennstoffgas-Rückführleitung 4 einen Brennstoffgas-Rückführdurchgang, der das Anodenabgas über die Kreuzung J3 der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 zurückführt.
  • Die Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8 ist mit einem Einlass J7 des Lufteinlassverteilers 204 des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden. Beispielsweise wird Luft als ein Sauerstoff-enthaltenes Gas der Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8 zugeführt. Demgemäß konfiguriert die Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8 einen Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrdurchgang, der das Sauerstoff-enthaltene-Gas einem Oxidationselektrodendurchgang des Brennstoffzellenstapels 100 zuführt.
  • Die erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10 ist mit einem Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206 des Brennstoffzellenstapels 100 an einem Ende und mit einem ersten Einlass J9 des Kühlwasserbehälters 110 an dem anderen Ende verbunden. Diese erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10 konfiguriert einen ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßdurchgang, der ein Kathodenabgas aus dem Oxidationselektrodendurchgang 100b des Brennstoffzellenstapels 100 an den Kühlwasserbehälter 110 ausstößt.
  • Die Kühlwasser-Zufuhrleitung 12 ist mit einem Kühlwasser-Zufuhranschluss J10 des Kühlwasserbehälters 110 an einem Ende und mit einem Einlass des Kühlwasser-Einlassverteilers 208, der an einer stromaufwärtigen Seite eines Kühlwasserdurchgangs 100c des Brennstoffzellenstapels 100 vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt. Diese Kühlwasser-Zufuhrleitung 12 konfiguriert einen Kühlwasser-Zufuhrdurchgang, der Kühlwasser aus dem Kühlwasserbehälter 110 dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 zuführt. Der Kühlwasser-Zufuhranschluss J10 ist in einer Bodenfläche des Kühlwasserbehälters 110 vorgesehen.
  • Die Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 ist mit einem Auslass J12 des Kühlwasser-Auslassverteilers 210 des Brennstoffzellenstapels 100 an einem Ende und mit einem zweiten Einlass J13 des Kühlwasserbehälters 110 an dem anderen Ende gekoppelt. Diese Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 konfiguriert einen Kühlwasser-Ausstoßdurchgang, der Kühlwasser aus dem Kühlwasser-Auslassverteiler 210 an den Kühlwasserbehälter 110 ausstößt.
  • Die Aufgestautes-Wasser-Ausstoßleitung 16 ist mit einem Verzweigungsabschnitt J14 der Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 an einem Ende gekoppelt und stößt einen Teil des in dem Kühlwasserbehälter 110 aufgestauten Kühlwassers aus. D.h., die Aufgestautes-Wasser-Ausstoßleitung 16 ist mit dem Öffnungs-/Schließventil 180 versehen, und ein Teil des Kühlwassers wird ausgestoßen, wenn das Ventil geöffnet ist. Diese Aufgestautes-Wasser-Ausstoßleitung 16 konfiguriert einen Aufgestautes-Wasser-Ausstoßdurchgang, der das Kühlwasser aus dem Kühlwasserbehälter 110 ausstößt.
  • Die zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 ist mit einem Luftausstoßanschluss J15 des Kühlwasserbehälters 110 an einem Ende und mit einem zweiten Einlass J16 des Druckverlustteils 120 an dem anderen Ende verbunden. Diese zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 konfiguriert einen zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßdurchgang, der das Kathodenabgas aus dem Kühlwasserbehälter 110 zu dem Druckverlustteil 120 ausstößt.
  • Die externe Ausstoßleitung 20 ist mit einem Ausstoßteil J17 des Druckverlustteils 120 an einem Ende verbunden und stößt das von der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 zugeführte Anodenabgas und das von der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 zugeführte Kathodenabgas aus. Die externe Ausstoßleitung 20 konfiguriert einen externen Ausstoßdurchgang, der das Anodenabgas und das Kathodenabgas ausstößt.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst darin den Brennstoffelektrodendurchgang 100a, der ein Wasserstoff-enthaltenes Gas der Brennstoffelektrode zuführt, den Oxidationselektrodendurchgang 100b, der ein Sauerstoff-enthaltenes Gas der Oxidationselektrode zuführt, und den Kühlwasserdurchgang 100c, der den Brennstoffzellenstapel 100 kühlt, und erzeugt Energie unter Verwendung des der Brennstoffelektrode zuzuführenden Wasserstoff-enthaltenen Gases und des der Oxidationselektrode zuzuführenden Sauerstoff-enthaltenen Gases. Das Anodenabgas ist ein aus dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a während der Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 ausgestoßenes Gas, und enthält ein unreagiertes Brennstoffgas. Das Kathodenabgas ist ein aus dem Oxidationselektrodendurchgang 100b während einer Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100 ausgestoßenes Gas.
  • Wie in 2 dargestellt, kommunizieren der Brennstoff-Einlassverteiler 200 und der Brennstoff-Auslassverteiler 202 mit dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a. D.h., ein durch den Einlass J1 des Brennstoff-Einlassverteilers 200 zugeführtes Brennstoffgas strömt durch den Brennstoffelektrodendurchgang 100a, der mit einer gepunkteten Linie dargestellt ist, und wird durch den Auslass J2 des Brennstoff-Auslassverteilers 202 ausgestoßen.
  • Der Luft-Einlassverteiler 204 und der Luft-Auslassverteiler 206 kommunizieren mit dem Oxidationselektrodendurchgang 100b. D.h., ein durch den Einlass J7 des Luft-Einlassverteilers 204 zugeführtes Sauerstoff-enthaltenes Gas strömt durch den Oxidationselektrodendurchgang 100b, der mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist, und wird durch den Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206 ausgestoßen.
  • Der Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und der Kühlwasser-Auslassverteiler 210 kommunizieren mit dem Kühlwasserdurchgang 100c. D.h., durch den Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 zugeführtes Kühlwasser strömt durch den Kühlwasserdurchgang 100c, der mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, und wird durch den Auslass J12 des Kühlwasser-Auslassverteilers 210 ausgestoßen.
  • Jeder der Verteiler 200, 202, 204, 206, 208 und 210 muss eine Gasundurchlässigkeit und eine elektrische Isolierung aufweisen und wird normalerweise durch Formpressen oder Spritzgießen von thermoplastischem Harz oder duroplastischem Harz mit einer Form hergestellt. Ein Beispiel von bei dieser Herstellung verwendetem thermoplastischem Harz ist Polyphenylensulfid (PPS), und Beispiele von duroplastischem Harz sind Epoxidharz und Phenolharz. Jeder Verteiler weist eine Kastenform auf, die in Richtung der Brennstoffzelle 115 geöffnet ist, und eine Seitenfläche und eine Innenfläche von jedem Verteiler weisen eine Verjüngung von der Seite der Brennstoffzelle 115 in Richtung des Bodens des Verteilers auf. Diese Verjüngung stellt eine Lösbarkeit aus einer Form sicher.
  • Eine Dichtungsrille mit einem rechteckigen Querschnitt ist in einer Dichtungsfläche eines Umgebungsabschnitts von jedem Verteiler, der mit einer Seitenfläche der Brennstoffzelle 115 in Kontakt steht, entlang des Gesamtumfangs des Umgebungsabschnitts vorgesehen. Ein Dichtungselement ist in der Dichtungsrille eingefügt, wodurch verhindert wird, dass Gas/Kühlwasser austritt. Detaillierte Konfigurationen des Brennstoffzellenstapels 100 werden nachstehend beschrieben.
  • Wie in 1 dargestellt, sind die erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10, die Kühlwasser-Zufuhrleitung 12, die Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 und die zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 mit dem Kühlwasserbehälter 110 verbunden. D.h., der Kühlwasserbehälter 110 ist an dem Einlass J9 mit dem anderen Ende der ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 gekoppelt, die an einem Ende mit dem Auslass J8 des an der stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs 100b vorgesehenen Luft-Auslassverteilers 206 gekoppelt ist, und die an dem Einlass J13 mit dem anderen Ende der Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 gekoppelt ist, die an einem Ende mit dem Auslass J12 des an der stromabwärtigen Seite des Kühlwasserdurchgangs 100c vorgesehenen Kühlwasser-Auslassverteilers 210 gekoppelt ist. Außerdem ist das andere Ende der Kühlwasser-Zufuhrleitung 12, die an einem Ende mit dem Einlass J11 des an der stromaufwärtigen Seite des Kühlwasserdurchgangs 100c vorgesehenen Kühlwasser-Einlassverteilers 208 gekoppelt ist, mit dem Kühlwasser-Zufuhranschluss J10 gekoppelt. Demgemäß wird der Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 des Brennstoffzellenstapels 100 eingestellt, um gleich oder kleiner als der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 aufgrund des Kühlwasserbehälters 110 und der Konfigurationen dieser Leitungen 10, 12 und 14 zu sein. Ferner kann der Kühlwasserbehälter 110 eine Zufuhr von Kühlwasser von der Kühlwasser-Zufuhrvorrichtung 190 empfangen. Demgemäß ist es möglich, die Menge an aufgestautem Wasser in dem Kühlwasserbehälter 110 zu erhöhen.
  • Das andere Ende der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18, die an einem Ende mit dem Luftausstoßanschluss J15 des Kühlwasserbehälters 110 gekoppelt ist, ist mit dem Druckverlustteil 120 gekoppelt. Ferner ist das andere Ende der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6, die an einem Ende mit dem Auslass J2 des an der stromabwärtigen Seite des Brennstoffelektrodendurchgangs 100a vorgesehenen Brennstoff-Auslassverteilers 202 gekoppelt ist, mit dem Druckverlustteil 120 gekoppelt. Dieser Druckverlustteil 120 stellt den Luftdruck in der ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10, dem Kühlwasserbehälter 110 und der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 sowie den Luftdruck in der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 ein. Der Druckverlustteil 120 kann beispielsweise durch irgendeines von einem Wärmetauscher, einem schallabsorbierenden Kanal und einer katalytischen Brennkammer konfiguriert sein. Die Details des Druckverlustteils 120 werden nachstehend beschrieben. Die Brenngas-Ausstoßleitung 6 und die zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 können mit dem Druckverlustteil 120 gekoppelt sein, nachdem sie zusammengefügt wurden. In diesem Fall verläuft der Druckverlustteil 120 bis zu einer Kreuzung der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 und der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18.
  • Der erste Zufuhrteil 130 ist beispielsweise ein Rückführgebläse und ist in der Brennstoffgas-Rückführleitung 4 an der stromabwärtigen Seite des Verzweigungsabschnitts J4 in der Brennstoffgas-Rückführleitung 4 vorgesehen. Dieser erste Zufuhrteil 130 stößt das Anodenabgas aus der stromabwärtigen Seite der Brennstoffelektrode aus und stößt es zu der stromabwärtigen Seite des ersten Zufuhrteils 130 in der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 aus.
  • Der zweite Zufuhrteil 140 ist beispielsweise ein Verdichter und in der Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8 an der stromaufwärtigen Seite des Einlasses J7 des Luft-Einlassverteilers 204 vorgesehen. Dieser zweite Zufuhrteil 140 führt das Sauerstoff-enthaltende Gas von der stromaufwärtigen Seite der Oxidationselektrode zu. Demgemäß wird der Luftdruck des Oxidationsmittelgases verringert, wenn das Oxidationsmittelgas durch Durchgänge der Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8, des Oxidationselektrodendurchgangs 100b, der ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10, des Kühlwasserbehälters 110, der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18, des Druckverlustteils 120 und der externen Ausstoßleitung 20 zu der stromabwärtigen Seite verläuft. D.h., der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 ist kleiner als der Luftdruck in dem Luft-Einlassverteiler 204, und der Luftdruck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b wird in Richtung der stromabwärtigen Seite verringert. In ähnlicher Weise ist der Luftdruck in dem Kühlwasserbehälter 110 kleiner als der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206.
  • Der dritte Zufuhrteil 145 ist beispielsweise ein Verdichter und in der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 an der stromaufwärtigen Seite des Einlasses J1 des Brennstoff-Einlassverteilers 200 vorgesehen. Dieser dritte Zufuhrteil 145 führt das Brennstoffgas von der stromaufwärtigen Seite der Brennstoffelektrode zu. Demgemäß wird der Luftdruck des Brennstoffgases verringert, wenn das Brennstoffgas durch Durchgänge der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2, des Brennstoffelektrodendurchgangs 100a, der Brennstoffgas-Ausstoßleitungen 3 und 6, des Druckverlustteils 120 und der externen Ausstoßleitung 20 zu der stromabwärtigen Seite verläuft. D.h., der Luftdruck in dem Brennstoff-Auslassverteiler 202 ist kleiner als der Luftdruck in dem Brennstoff-Einlassverteiler 200, und der Luftdruck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a wird in Richtung der stromabwärtigen Seite verringert. In ähnlicher Weise ist der Druck in dem Druckverlustteil 120 kleiner als der Luftdruck in dem Brennstoff-Auslassverteiler 202.
  • Der Ausstoßteil 150 ist beispielsweise eine Kühlwasserpumpe und in der Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 an der stromabwärtigen Seite des Auslasses J12 des Kühlwasser-Auslassverteilers 210 vorgesehen. Demgemäß stößt der Ausstoßteil 150 Kühlwasser an einer Seite in der Nähe des Kühlwasserdurchgangs 100c in der Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 in Richtung des Kühlwasserbehälters 110 aus. Auf diese Weise wird Kühlwasser durch den Ausstoßteil 150 durch den Auslass J12 des Kühlwasser-Auslassverteilers 210 ausgestoßen. Demgemäß wird der Wasserdruck des von dem Ausstoßteil 150 ausgestoßenen Kühlwassers verringert, wenn das Kühlwasser zu der stromabwärtigen Seite des Ausstoßteils 150 strömt. D.h., der Druck in dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 ist kleiner als der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110. In ähnlicher Weise wird der Wasserdruck des Kühlwassers in dem Kühlwasserdurchgang 100c des Brennstoffzellenstapels 100 verringert, wenn es zu der stromabwärtigen Seite des Kühlwasserdurchgangs 100c strömt.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 kleiner als der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206. Unterdessen ist der Wasserdruck in dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 kleiner als der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110. Aus diesen Beziehungen mit Bezug auf den Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 als Referenz ist der Wasserdruck in dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 immer kleiner als der Luftdruck in dem Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206. Demgemäß wird der Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c immer kleiner gehalten als der Luftdruck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b. Ferner werden der Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 erhöht und verkleinert, indem der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 vergrößert und verkleinert wird, während ein Differenzialdruck dazwischen aufrechterhalten wird. Demgemäß kann der Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels 100 eingestellt werden, indem der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 vergrößert und verkleinert wird. Hier bedeutet der Betriebsdruck den Druck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a und in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b während einer Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100. D.h., der Betriebsdruck bedeutet den Druck eines Reaktionsgases während einer Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 100.
  • Unterdessen wird, da die Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 mit dem Kühlwasserbehälter 110 verbunden ist, die Druckabnahme in dem Kühlwasserdurchgang 100c größer, wenn die Ausstoßmenge von Kühlwasser aus dem Ausstoßteil 150 erhöht wird, unter der Annahme, dass der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 konstant ist. Deshalb wird der Druck in dem Kühlwasser-Verteilereinlass 208 mehr verkleinert. Demgemäß kann ein Differenzialdruck zwischen dem Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und dem Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 eingestellt werden.
  • Ein Betrieb des Druckverlustteils 120 wird hier beschrieben. Der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 wird durch den Druckverlustteil 120 erhöht, und der Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 und der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 werden erhöht, während ein Differenzialdruck dazwischen aufrechterhalten wird. Ferner wird der Luftdruck in dem Brennstoff-Auslassverteiler 202 größer als der Druck in dem Druckverlustteil 120. Deshalb wird der Luftdruck in dem Brennstoff-Auslassverteiler 202 größer als der Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208. Demgemäß wird der Luftdruck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a immer höher gehalten als der Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c. Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, ein Fluten zu verhindern, indem der Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c immer kleiner gehalten wird als der Luftdruck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a und der Druck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b mittels des Kühlwasserbehälters 110 und des Druckverlustteils 120.
  • Das Ausstoßventil 180 wird durch die Steuervorrichtung 195 gesteuert, um die Aufgestautes-Wasser-Ausstoßleitung 16 zu öffnen und zu schließen, die die Menge des aufgestauten Wassers in dem Kühlwasserbehälter 110 einstellt.
  • Die Kühlwasser-Zufuhrvorrichtung 190 führt Kühlwasser durch die Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 zu.
  • Das Luftdruck-Messinstrument V1 misst den Luftdruck in der ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10. Das Luftdruck-Messinstrument V2 misst den Luftdruck in der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 3. Das Wasserdruck-Messinstrument V3 misst den Wasserdruck in der Kühlwasser-Zufuhrleitung 12.
  • Die Steuervorrichtung 195 steuert das gesamte Brennstoffzellensystem 1. Die Steuervorrichtung 195 ist beispielsweise ein Mikrocomputer, der mit einer CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), einer Speichervorrichtung, einer Eingabe-/Ausgabevorrichtung und dergleichen vorgesehen ist. Die Steuervorrichtung 195 führt eine Steuerung gemäß einem in der Speichervorrichtung gespeicherten Programm aus. Die Steuervorrichtung 195 steuert den zweiten Zufuhrteil 140, den Ausstoßteil 150, das Ausstoßventil 180 und die Kühlwasser-Zufuhrvorrichtung 190 basierend auf Signalen von dem Luftdruck-Messinstrument V1 und dem Wasserdruck-Messinstrument V3. Die Steuervorrichtung 195 steuert auch den ersten Zufuhrteil 130, um die Rückführströmungsrate in der Brennstoffgas-Rückführleitung 4 zu steuern.
  • Detaillierte Konfigurationen des Brennstoffzellenstapels 100 werden hier mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Diagramm, das einen A-A'-Querschnitt in 2 schematisch darstellt. Die Brennstoffzelle 115 ist durch einen Stapel einer Vielzahl von Einheitszellen 100d, wie in 3 dargestellt, konfiguriert. Diese Einheitszelle 100d umfasst eine Membranelektrodenanordnung 100e, einen Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und einen Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106.
  • Die Membranelektrodenanordnung 100e umfasst eine feste Polymerelektrolytmembran 101, eine Brennstoffelektrode (eine Anode) 103, die auf einer Oberfläche der festen Polymerelektrolytmembran angeordnet ist, und eine Oxidationselektrode (eine Kathode) 104, die auf der der Brennstoffelektrode 103 entgegengesetzten Oberfläche der festen Polymerelektrolytmembran angeordnet ist. Ferner umfasst die Brennstoffelektrode 103 eine Anodenkatalysatorschicht 103a, und die Oxidationselektrode 104 umfasst eine Kathodenkatalysatorschicht 104a.
  • Der Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 weist den darin ausgebildeten Brennstoffelektrodendurchgang 100a auf. Der Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 weist den darin ausgebildeten Oxidationselektrodendurchgang 100b und den Kühlwasserdurchgang 100c auf. Demgemäß ist der Kühlwasserdurchgang 100c über einen Separator in Kontakt zu dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a und dem Oxidationselektrodendurchgang 100b. Obwohl der Kühlwasserdurchgang 100c in dem Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, ist die Konfiguration darauf nicht beschränkt. Der Kühlwasserdurchgang 100c kann in dem Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 vorgesehen sein. Alternativ kann ein Separator für den Kühlwasserdurchgang 100c getrennt von dem Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 und dem Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 vorgesehen sein. Obwohl der Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und der Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unabhängig voneinander sind, können sie ferner ganzheitlich miteinander ausgebildet sein.
  • Diese Einheitszellen 100d erzeugen Energie durch die in der chemischen Formel 1 dargestellten Reaktionen. Ein Wasserstoff-enthaltenes Gas strömt durch den Brennstoffelektrodendurchgang 100a an der Seite der Brennstoffelektrode 103, um eine Brennstoffelektrodenreaktion zu bewirken. Ein Sauerstoff-enthaltenes Gas strömt durch den Oxidationselektrodendurchgang 100b an der Seite der Oxidationselektrode 104, um eine Oxidationselektrodenreaktion zu bewirken. Der Brennstoffzellenstapel 100 verwendet diese elektrochemischen Reaktionen, um eine elektrische Energie aus den Elektroden zu nehmen.
  • (Chemische Formel 1)
    • Brennstoffelektrodenreaktion: H2 → 2H + +2e-
    • Oxidationselektrodenreaktion: 2H+ + 2e- + (1/2) O2 → H2O
  • Eine Leistung des Brennstoffzellenstapels 100 wird durch die Stromspannungseigenschaften dargestellt. Eine tatsächliche Spannung des Brennstoffzellenstapels 100, wenn ein vorbestimmter Strom fließt, ist kleiner als ein theoretischer Wert. Es wird berücksichtigt, dass ein Grund dieses Spannungsabfalls eine Diffusionsüberspannung ist, die durch Wasser bewirkt wird, das bei der Zufuhr von Reaktionsgasen oder bei einer Batteriereaktion erzeugt wird. Wenn Wasser in den elektrochemischen Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff in der Einheitszelle 100d erzeugt wird und feine Poren in einer Gasdiffusionsschicht in einem Elektrodenausbildungselement füllt, dann wird die Diffusionsfähigkeit des Reaktionsgases verringert, wodurch eine Zunahme der Diffusionsüberspannung bewirkt wird.
  • Deshalb werden der Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und der Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch poröse Separatoren konfiguriert. Beispielsweise werden der Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und der Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 aus porösem Kohlenstoff ausgebildet. Diese Separatoren können Wasser enthalten, das zum Befeuchten einer Elektrolytmembran in Poren erforderlich ist. Durch Halten des Drucks in dem Kühlwasserdurchgang 100c auf einem niedrigeren Wert als der Druck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a und der Druck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b kann ferner Wasser, das durch die Reaktionen an den Elektroden erzeugt wird, in den Kühlwasserdurchgang 100c durch die Separatoren absorbiert werden, so dass ein Fluten auf einer Gas-stromabwärtigen Seite verhindert werden kann. Demgemäß kann eine Zunahme der Diffusionsüberspannung verhindert werden. Der poröse Separator kann aus einem Metalloxid ausgebildet sein.
  • Ein Steuerbeispiel durch die Steuervorrichtung 195 wird hier beschrieben. Zunächst wird eine Strömung eines Sauerstoff-enthaltenen Gases beschrieben. Der zweite Zufuhrteil 140 wird durch die Steuervorrichtung 195 gesteuert, um ein Sauerstoff-enthaltenes Gas dem Oxidationselektrodendurchgang 100b des Brennstoffzellenstapels 100 durch die Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung 8 zuzuführen. Das Sauerstoff-enthaltene Gas, das in den Oxidationselektrodendurchgang 100b eingetreten ist, wird der Oxidationselektrode 104 von jeder Einheitszelle 100d zugeführt. Ein Teil des Sauerstoff-enthaltenen Gases, das die Oxidationselektrode 104 erreicht hat, empfängt Protonen und Elektronen, die von der Brennstoffelektrode ausgestoßen werden, und erzeugt Wasser, wie durch die vorstehend beschriebene chemische Formel 1 dargestellt wird. Ein aus der ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 10 ausgestoßenes Kathodenabgas wird dann dem Kühlwasserbehälter 110 zugeführt. Das dem Kühlwasserbehälter 110 zugeführte Kathodenabgas wird dann dem Druckverlustteil 120 durch die zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 zugeführt. Der Druck in dem Kühlwasserbehälter 110 wird durch einen Druckverlust in dem Druckverlustteil 120 eingestellt.
  • In diesem Fall wird ein Differenzialdruck zwischen dem Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c und dem Wasserdruck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b durch Einstellung der Ausstoßmenge von Kühlwasser aus dem Ausstoßteil 150 basierend auf Messwerten des Luftdruck-Messinstruments V1 und des Wasserdruck-Messinstruments V3 gesteuert.
  • Im Folgenden wird eine Strömung eines Wasserstoff-enthaltenen Gases beschrieben. Ein Wasserstoff-enthaltenes Gas wird dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a des Brennstoffzellenstapels 100 durch die Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 unter Steuerung der Steuervorrichtung 195 zugeführt. Das Wasserstoff-enthaltene Gas, das in die Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 eingetreten ist, wird der Brennstoffelektrode 103 von jeder Einheitszelle 100d zugeführt. Ein Teil des Wasserstoff-enthaltenen Gases, das die Brennstoffelektrode 103 erreicht hat, bewirkt, dass die Brennstoffelektrode 103 Protonen und Elektronen erzeugt, wie durch die vorstehend beschriebene chemische Formel 1 dargestellt ist. Überschüssiges Wasserstoff-enthaltenes Gas, das bei der Energieerzeugung nicht verwendet worden ist, wird aus einem Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs 100a des Brennstoffzellenstapels 100 zu der Brennstoffgas-Rückführleitung 4 als ein Anodenabgas ausgestoßen. Die Brennstoffgas-Rückführleitung 4 führt das von dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a ausgestoßene Anodenabgas über die Kreuzung J3 der Brennstoffgas-Zufuhrleitung 2 zurück. Zu diesem Zeitpunkt wird der erste Zufuhrteil 130 durch die Steuervorrichtung 195 gesteuert, um das Anodenabgas an die stromabwärtige Seite des ersten Zufuhrteils 130 in der Brennstoffgas-Rückführleitung 4 auszustoßen.
  • Im Folgenden wird eine Strömung eines Teils von aus der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 auszustoßenden Anodenabgases beschrieben. Ein Teil des aus der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 auszustoßenden Anodenabgases wird über den Druckverlustteil 120 ausgestoßen. Der Druck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a wird durch einen Druckverlust in dem Druckverlustteil 120 eingestellt.
  • Im Folgenden wird eine Strömung von aus dem Kühlwasserbehälter 110 dem Kühlwasserdurchgang 100c in dem Brennstoffzellenstapel 100 zuzuführendem Kühlwasser beschrieben. Ein Teil des aus dem Kühlwasserbehälter 110 dem Kühlwasserdurchgang 100c in dem Brennstoffzellenstapel 100 zugeführten Kühlwassers wird über den Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und den Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 zugeführt und zum Befeuchten der Membranelektrodenanordnung 100e verwendet.
  • Außerdem wird das Kühlwasser in dem Kühlwasserdurchgang 100c durch den Ausstoßteil 150 durch die Kühlwasser-Ausstoßleitung 14 in den Kühlwasserbehälter 110 ausgestoßen. Da der Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c niedriger gehalten wird als der Druck in dem Brennstoffelektrodendurchgang 100a und der Druck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b zu diesem Zeitpunkt, wird durch die Reaktionen an den Elektroden erzeugtes Wasser in den Kühlwasserdurchgang 100c durch den Separator mit einem Brennstoffelektrodendurchgang 105 und den Separator mit einem Oxidationselektrodendurchgang 106 absorbiert. Demgemäß liegt kein erzeugtes Wasser an der stromabwärtigen Seite des Brennstoffelektrodendurchgangs 100a und des Oxidationselektrodendurchgangs 100b vor, so dass ein Fluten verhindert wird.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerbeispiel in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt. Hier wird ein Beispiel zum Steuern der Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 beschrieben, nachdem die Zufuhrmenge des zweiten Zufuhrteils 140 und des Ausstoßteils 150 auf vorbestimmte Werte eingestellt wurden.
  • Zunächst startet die Steuervorrichtung 195 eine Steuerung für die Zufuhrmenge des zweiten Zufuhrteils 140 und der Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 unter Verwendung von in einer Speichervorrichtung gespeicherten Anfangswerten (Schritt S100).
  • Dann akquiriert die Steuervorrichtung 195 einen Messwert des Luftdruck-Messinstruments V1 (Schritt S102). Demgemäß wird der Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler 206 akquiriert.
  • Dann akquiriert die Steuervorrichtung 195 einen Messwert des Wasserdruck-Messinstruments V3 (Schritt S104). Demgemäß wird der Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 akquiriert.
  • Dann bestimmt die Steuervorrichtung 195, ob ein Differenzialdruck zwischen dem Luftdruck in dem Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206 und dem Wasserdruck in dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 ein vorbestimmter Wert ist (Schritt S106). Falls der Differenzialdruck nicht der vorbestimmte Wert ist (NEIN in Schritt S106), erhöht die Steuervorrichtung 195 die Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 um eine vorbestimmte Menge, wenn der Differenzialdruck ansteigt. Andererseits verringert die Steuervorrichtung 195 die Ausstoßmenge um eine vorbestimmte Menge, wenn der Differenzialdruck abnimmt (Schritt S108) und führt den Prozess von Schritt S102 fort.
  • Falls unterdessen der Differenzialdruck der vorbestimmte Wert ist (JA in Schritt S106), bestimmt die Steuervorrichtung 195, ob die gesamte Verarbeitung beendet werden soll (Schritt S110). Falls die gesamte Verarbeitung nicht beendet werden soll (NEIN in Schritt S110), wird die Verarbeitung von Schritt S102 wiederholt. Sogar obwohl die Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 eingestellt wird, wird der Luftdruck in dem Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206 immer größer gehalten als der Wasserdruck in dem Einlass J11 des Kühlwasser-Einlassverteilers 208 durch Operationen des Kühlwasserbehälters 100 und die Konfigurationen der Leitungen 10, 12 und 14 und dergleichen.
  • Falls unterdessen die gesamte Verarbeitung beendet werden soll (JA in Schritt S110), speichert die Steuervorrichtung 195 einen Steuerwert für den zweiten Zufuhrteil 140 und einen Steuerwert für den Ausstoßteil 150 in der Speichervorrichtung (Schritt S112) und beendet die gesamte Verarbeitung.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird ein Differenzialdruck zwischen dem Wasserdruck von aus dem Kühlwasserbehälter 100 einem Einlass des Kühlwasserdurchgangs 100c zugeführtem Kühlwasser und dem Luftdruck in einem Ausstoßteil des Oxidationselektrodendurchgangs 100b durch Einstellung der Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 eingestellt. Demgemäß ist es möglich, den Differenzialdruck zwischen dem Wasserdruck in dem Kühlwasserdurchgang 100c und dem Luftdruck in dem Oxidationselektrodendurchgang 100b nur durch Einstellung der Ausstoßmenge des Ausstoßteils 150 einzustellen.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das andere Ende der mit dem Kühlwasser-Einlassverteiler 208 gekoppelten Kühlwasser-Zufuhrleitung 12 mit dem Kühlwasser-Zufuhranschluss J10 gekoppelt, das andere Ende der an einem Ende mit dem Luft-Auslassverteiler 206 gekoppelten ersten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung wird mit dem Kühlwasserbehälter 110 gekoppelt, und das andere Ende der an einem Ende mit dem Luft-Ausstoßanschluss J15 des Kühlwasserbehälters 110 gekoppelten zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 und das andere Ende der an einem Ende mit dem Brennstoff-Auslassverteiler 202, der an einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs 100a vorgesehen ist, gekoppelten Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 werden zusammengefügt. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, einen Differenzialdruck zwischen dem Druck sowohl eines Anodenabgases als auch eines Kathodenabgases und dem Kühlwasser ohne eine zusätzliche Leitung oder Vorrichtung in geeigneter Weise zu steuern. Ferner wird das andere Ende der zweiten Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung 18 und das andere Ende der Brennstoffgas-Ausstoßleitung 6 zusammengefügt, und der Druckverlustteil 120 wird bereitgestellt. Demgemäß ist es möglich, den Druck des Anodenabgases und des Kathodenabgases zu erhöhen und die Ausgabe des Brennstoffzellenstapel 100 zu verbessern. Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, ein System mit höherer Leistung mit einer einfachen Konfiguration bereitzustellen.
  • (Zweites Ausführungsbeispiel)
  • Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist von dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dahingehend verschieden, dass ein Dämpfer 215 ferner in der externen Ausstoßleitung 20 vorgesehen ist. Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel und dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden nachstehend beschrieben.
  • 5 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Wie in 5 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ferner den Dämpfer 215.
  • Der Dämpfer 215 stellt einen Druckverlust in der externen Ausstoßleitung 20 ein. Demgemäß ist es möglich, eine Druckzunahme des Luftdrucks in dem Auslass J8 des Luft-Auslassverteilers 206 und des Luftdrucks in dem Auslass J2 des Brennstoff-Auslassverteilers 202 einzustellen.
  • Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Luftdruck in dem Kühlwasserbehälter 110 durch den in der externen Ausstoßleitung 20 vorgesehenen Dämpfer 215 eingestellt. Demgemäß ist es möglich, den Luftdruck in dem Ausstoßteil J8 des Oxidationselektrodendurchgangs 100b und in dem Auslass J2 des Brennstoff-Auslassverteilers 202 einzustellen, während der Wasserdruck des dem Einlass J11 des Kühlwasserdurchgangs 100c zuzuführenden Kühlwassers niedriger als der Druck in dem Ausstoßteil J8 des Oxidationselektrodendurchgangs 100b gehalten wird.
  • Während bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sind diese Ausführungsbeispiele lediglich beispielhaft dargestellt worden und beabsichtigen nicht, den Umfang der Erfindung zu beschränken. Tatsächlich können die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele in einer Vielzahl von anderen Formen dargestellt werden, und verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen können gemacht werden, ohne von dem Geiste der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsbeispiele und ihre Modifikationen sind in dem Umfang und dem Geiste der Erfindung sowie ihren in den Patentansprüchen beschriebenen Äquivalenten enthalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP H11508726 [0007]

Claims (7)

  1. Ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit einem Brennstoffelektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein aus einem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang zuzuführendes Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode zuzuführen, einem Oxidationselektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein Sauerstoff-enthaltenes Gas einer Oxidationselektrode zuzuführen, und einem Kühlwasserdurchgang versehen ist, der von zumindest entweder dem Brennstoffelektrodendurchgang oder dem Oxidationselektrodendurchgang durch ein leitendes poröses Material isoliert ist; einen Kühlwasserbehälter, der einen Kühlwasser-Zufuhranschluss aufweist, mit dem eine Kühlwasser-Zufuhrleitung, die an einem Ende mit einem Kühlwasser-Einlassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromaufwärtigen Einlass des Kühlwasserdurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftauslassverteiler gekoppelt ist, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, der mit dem Kühlwasserbehälter an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei der Kühlwasserbehälter konfiguriert ist, um Kühlwasser von dem Kühlwasser-Einlassverteiler zuzuführen; und einen Druckverlustteil, mit dem eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftausstoßanschluss des Kühlwasserbehälters gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, und mit dem eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Brennstoffauslassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist.
  2. Das System nach Anspruch 1, wobei der Druckverlustteil irgendeines von einem Wärmetauscher, einem schallabsorbierenden Kanal, und einer katalytischen Brennkammer ist.
  3. Das System nach Anspruch 2, ferner mit einem Dämpfer, der an einer stromabwärtigen Seite des Druckverlustteils vorgesehen ist, und der konfiguriert ist, um einen Druckverlust in dem Druckverlustteil einzustellen.
  4. Das System nach einem der Ansprüche 1-3, ferner aufweisend: einen Zufuhrteil, der in einer Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Zufuhrleitung vorgesehen ist, die mit einem Lufteinlassverteiler in einem stromaufwärtigen Einlass in dem Oxidationselektrodendurchgang gekoppelt und konfiguriert ist, um das Sauerstoff-enthaltene Gas zuzuführen; und einen Ausstoßteil, der in einer Kühlwasser-Ausstoßleitung vorgesehen ist, die mit einem Kühlwasser-Auslassverteiler in einem stromabwärtigen Auslass in dem Kühlwasserdurchgang gekoppelt und konfiguriert ist, um Kühlwasser aus dem Kühlwasser-Auslassverteiler auszustoßen.
  5. Das System nach Anspruch 4, ferner mit einer Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um zumindest eine Ausstoßmenge des Kühlwassers von dem Ausstoßteil basierend auf einem Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler und einem Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler zu steuern.
  6. Das System nach Anspruch 3, ferner mit einer Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um den Dämpfer basierend auf einem Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler und einem Luftdruck in dem Luft-Auslassverteiler zu steuern.
  7. Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelle, die mit einem Brennstoffelektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein aus einem Brennstoffgas-Zufuhrdurchgang zuzuführendes Brennstoffgas einer Brennstoffelektrode zuzuführen, einem Oxidationselektrodendurchgang, der konfiguriert ist, um ein Sauerstoff-enthaltenes Gas einer Oxidationselektrode zuzuführen, und einem Kühlwasserdurchgang versehen ist, der von zumindest entweder dem Brennstoffelektrodendurchgang oder dem Oxidationselektrodendurchgang durch ein leitendes poröses Material isoliert ist, einen Kühlwasserbehälter, der einen Kühlwasser-Zufuhranschluss aufweist, mit dem eine Kühlwasser-Zufuhrleitung, die an einem Ende mit einem Kühlwasser-Einlassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromaufwärtigen Einlass des Kühlwasserdurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, eine erste Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftauslassverteiler gekoppelt ist, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, der mit dem Kühlwasserbehälter an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei der Kühlwasserbehälter konfiguriert ist, um Kühlwasser von dem Kühlwasser-Einlassverteiler zuzuführen, und einen Druckverlustteil, mit dem eine zweite Sauerstoff-enthaltenes-Gas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Luftausstoßanschluss des Kühlwasserbehälters gekoppelt ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, und mit dem eine Brennstoffgas-Ausstoßleitung, die an einem Ende mit einem Brennstoffauslassverteiler gekoppelt ist, der in einem stromabwärtigen Auslass des Brennstoffelektrodendurchgangs vorgesehen ist, an dem anderen Ende gekoppelt ist, wobei das Verfahren ein Einstellen eines Differenzialdrucks zwischen einem Wasserdruck in dem Kühlwasser-Einlassverteiler und einem Luftdruck in einem Luft-Auslassverteiler, der an einer stromabwärtigen Seite des Oxidationselektrodendurchgangs vorgesehen ist, um eine Ausstoßmenge von dem Kühlwasserdurchgang aufweist.
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