DE112020006758T5

DE112020006758T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112020006758T5
Application number: DE112020006758.0T
Authority: DE
Inventors: Yoshitsugu Sone; Motohiko Sato
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2021166428A1; US20230060926A1; JP7486734B2; JP2021128924A

Abstract

Brennstoffzellensystem aufweisend eine Brennstoffzelle, in der eine Elektrolytmembran zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Oxidationselektrode eingefügt ist, wobei Wasserstoff zu einer Wasserstoffversorgungseinheit der Brennstoffelektrode zugeführt wird und ein sauerstoffhaltiges Gas zu einer Gasversorgungseinheit der Oxidationselektrode zugeführt wird, so dass Leistung erzeugt wird; eine Wasserstoffbeschichtungseinheit, die so angeordnet ist, dass sie die Brennstoffzelle abdeckt und so konfiguriert ist, dass sie intern mit Wasserstoff gefüllt wird; und eine Wasserstoffeinleitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Wasserstoff in die Wasserstoffbeschichtungseinheit einführt.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-024704 wird beansprucht, die am 17. Februar 2020 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
[Stand der Technik]
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die chemische Energie von Brennstoffen direkt in elektrische Energie umwandeln, indem sie Brennstoffe wie Wasserstoff mit Oxidationsmitteln wie Luft (Sauerstoff) elektrochemisch reagieren lassen. Unter den Brennstoffzellen haben Brennstoffzellen mit festen Polymerelektrolyten, in denen Wasserstoffionen-ausgetauschte Polymermembranen oder ähnliches als Elektrolyte verwendet werden, hervorragende Eigenschaften wie hohe Leistungsdichte, einfache Strukturen und relativ niedrige Betriebstemperaturen. Daher wird an der Entwicklung verschiedener Technologien für Brennstoffzellen gearbeitet, die auf mobilen Objekten wie Flugzeugen oder Fahrzeugen montiert werden können.
Wie eine Brennstoffzelle des Standes der Technik, zum Beispiel eine Wasserelektrolyse/Brennstoffzellen-Leistungserzeugungszelle, in der ein erster Gasseparator, durch den ein von flüssigem Wasser getrenntes sauerstoffhaltiges Gas strömt, und ein zweiter Gasseparator, durch den ein von flüssigem Wasser getrenntes wasserstoffhaltiges Gas strömt, geschichtet sind; einen Wasserströmungsdurchgang, durch den Wasser in einer ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Zellschichtungsrichtung zugeführt oder abgeleitet wird, einen Strömungsdurchgang für sauerstoffhaltiges Gas, durch den das sauerstoffhaltige Gas in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Zellschichtungsrichtung abgeleitet oder zugeführt wird, und einen Strömungsdurchgang für wasserstoffhaltiges Gas, durch den das wasserstoffhaltige Gas in einer dritten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Zellschichtungsrichtung abgeleitet oder zugeführt wird, umfasst; und eine sauerstoffseitige Elektrodenschicht und eine wasserstoffseitige Elektrodenschicht wasserabweisende Elektrodenschichten sind (siehe Patentliteratur 1).
In der Brennstoffzelle wird Wasser in der ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung zugeführt und abgeleitet, Sauerstoffgas und Wasserstoffgas werden in der zweiten und dritten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Laminierungsrichtung zugeführt und abgeleitet, und eine Vielzahl von Zellen, wie z. B. erste und zweite Zellen, werden laminiert. Auf diese Weise kann eine kompakte Abmessung in der Laminierungsrichtung realisiert werden und die Fähigkeit einer Wasserelektrolysezelle und einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungszelle kann verbessert werden.
Wenn ein Brennstoffzellenstapel mit der oben beschriebenen Konfiguration in der Nähe eines Kernreaktors oder im Weltraum ohne Atmosphäre verwendet wird, kann die Strahlenbelastung oder die Beschädigung einer Elektrode oder eines Ionenaustauschfilms zunehmen. Wenn Neutronen mit Atomen, die im Wesentlichen die gleiche Masse haben, mit geringer Geschwindigkeit zusammenstoßen, werden γ-Strahlen erzeugt, und es besteht daher die Gefahr, dass die Geräte in einer Anlage beschädigt werden.
Dementsprechend wurde zur Verhinderung einer Strahlenbelastung beispielsweise ein Strahlenschutzmaterial vorgeschlagen, in dem Zeolith mit einem hohen Wasserstoffanteil, ein Schwermetall eines Ionenaustauscherelements mit einer Ordnungszahl von 40 oder mehr, das eine hohe Abschirmwirkung gegen hochenergetische Neutronen- und Gammastrahlung hat, und ein thermischer Neutronenabsorber kombiniert sind (siehe Patentliteratur 2).
Ein Neutronenabschirmungsmaterial zum Aushärten eines Epoxidharzgemisches (A-Komponente), in dem ein modifiziertes Epoxidharz auf Glycidylester-Basis und ein Bisphenol-A-Epichlorhydrin-Polymer gemischt sind, eines Amino-Polyamid-Härtungsmittels (B-Komponente), einer lithiumhaltigen Verbindung (C-Komponente), einer borhaltigen Verbindung (D-Komponente) und einer aluminiumhydroxidhaltigen Verbindung (E-Komponente) wurde vorgeschlagen (siehe Patentschrift 3).
[Zitationsliste]
[Patentliteratur]

[Patentliteratur 1] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 2018-78098
[Patentliteratur 2] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 2006-329915
[Patentliteratur 3] Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, erste Veröffentlichung Nr. 2011-27460

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Technisches Problem]
Es wird jedoch ein Brennstoffzellensystem benötigt, das in der Lage ist, einen hohen Neutronenabschirmungseffekt sowie Einfachheit, Gewichtsreduzierung und Platzersparnis eines Systems in Anbetracht der Montage auf einem mobilen Objekt wie einem auf der Mondoberfläche eingesetzten Untersuchungsfahrzeug (Rover) oder ähnlichem zu realisieren.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, einen hohen Neutronenabschirmungseffekt bereitzustellen und Einfachheit, Gewichtsreduzierung und Platzersparnis eines Systems zu erreichen.
[Lösung des Problems]
Um das vorgenannte Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Mittel zur Verfügung.

[1] Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, in der eine Elektrolytmembran zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Oxidationselektrode eingefügt ist, Wasserstoff zu einer Wasserstoffversorgungseinheit der Brennstoffelektrode zugeführt wird und ein sauerstoffhaltiges Gas zu einer Gasversorgungseinheit der Oxidationselektrode zugeführt wird, so dass Leistung erzeugt wird; eine Wasserstoffbeschichtungseinheit, die so angeordnet ist, dass sie die Brennstoffzelle abdeckt und so konfiguriert ist, dass sie intern mit Wasserstoff gefüllt wird; und eine Wasserstoffeinleitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie Wasserstoff in die Wasserstoffbeschichtungseinheit einführt.
[2] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann ferner eine Wasserstoffabgabeeinheit umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie Wasserstoff aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit abgibt. Ein Innenraum der Wasserstoffbeschichtungseinheit kann mit der Wasserstoffversorgungseinheit in Verbindung stehen. Wasserstoff kann der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführt werden, indem der Wasserstoff von der Wasserstoffeinleitungseinheit und der Wasserstoffbeschichtungseinheit eingeführt wird.
[3] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann ferner ein Neutronenabschirmelement aufweisen, das zwischen der Wasserstoffbeschichtungseinheit und der Brennstoffzelle angeordnet ist.
[4] In dem Brennstoffzellensystem nach [3], wobei das Neutronenabschirmelement ein schwermetallhaltiges Material aufweisen kann.
[5] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann ferner einen Anschluss aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er mit der Brennstoffzelle in Verbindung steht und das in der Brennstoffzelle erzeugte Wasser nach außen aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit ableitet.
[6] In dem Brennstoffzellensystem nach [5] kann ein stromabwärts gelegener Endabschnitt des Anschlusses die Form einer Kapillare haben.
[7] Das Brennstoffzellensystem gemäß [5] kann ferner ein Feuchtigkeitsabsorptionselement umfassen, das an der Brennstoffzelle angebracht ist. Ein stromaufwärts gelegener Endabschnitt des Anschlusses kann mit dem Feuchtigkeitsabsorptionselement in Kontakt kommen oder in dessen Nähe angeordnet sein.
[8] In dem Brennstoffzellensystem nach [1] kann das Innere der Wasserstoffbeschichtungseinheit in einem Zustand gehalten werden, in dem eine Druckbeaufschlagung durch Wasserstoff erreicht wird.
[9] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann außerdem einen Entfeuchter aufweisen, der mit einem Gasabführungskanal der Gasversorgungseinheit verbunden und so konfiguriert ist, dass er von einem Wasserrückgewinnungstank auf einen anderen Wasserrückgewinnungstank umgeschaltet werden kann. Der Wasserrückgewinnungstank kann auf der Grundlage eines Produkts aus einem Stromwert und einer Durchlaufzeit zu einer an die Brennstoffzelle angeschlossenen Last umgeschaltet werden.
[10] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann ferner eine Temperaturmesseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle misst, und eine Temperatureinstelleinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperaturregelung der Brennstoffzelle durchführt, umffassen.
[11] Das Brennstoffzellensystem gemäß [1] kann außerdem eine Batterie enthalten, die elektrisch parallel mit der Brennstoffzelle verbunden ist.
[12] In dem Brennstoffzellensystem nach [1] können die Brennstoffelektrode, die Elektrolytmembran und die Oxidationselektrode in dieser Reihenfolge in vertikaler Richtung geschichtet werden.
[13] In dem Brennstoffzellensystem nach [12] kann die Brennstoffelektrode unterhalb der Elektrolytmembran angeordnet sein.

[Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung]
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen hohen Neutronenabschirmungseffekt und Einfachheit eines Systems zu erreichen und das Gewicht und den Platzbedarf eines Systems zu reduzieren.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems, auf das ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
2A ist eine Seitenansicht, die Beispiele für eine Wasserstoffversorgungseinheit und eine Sauerstoffversorgungseinheit eines Separators in 1 zeigt.
2B ist eine schematische Darstellung eines modifizierten Beispiels für die in 2A gezeigten Durchflussmuster.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein Modell der Wasserbewegung innerhalb eines Brennstoffzellenstapels aus 1 zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Aktivierungssteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung im Brennstoffzellensystem in 1 zeigt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung des Zustands jeder Einheit veranschaulicht, wenn die Aktivierungssteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung in 4 durchgeführt wird.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung des Dauerbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung in dem Brennstoffzellensystem in 1 zeigt.
7 ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung des Zustands jeder Einheit veranschaulicht, wenn die Steuerung des Dauerbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung in 6 durchgeführt wird.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Not-Aus-Steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung während des Dauerbetriebs zeigt.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Endsteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung im Brennstoffzellensystem in 1 zeigt.
10 ist ein Zeitdiagramm, das eine Änderung des Zustands jeder Einheit veranschaulicht, wenn die Aktivierungssteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung in 9 durchgeführt wird.
11 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems mit einer Wasserstoffbeschichtungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine schematische Darstellung eines modifizierten Beispiels für eine Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung aus 11.
13 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht, die das Layout eines Brennstoffzellenstapels aus 12 zeigt.
14 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen wasserstoffversorgungsseitigen Teil eines Separators aus 12.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren im Einzelnen beschrieben.
[Konfiguration des Brennstoffzellensystems]
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems, auf das ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird. 2A ist eine Seitenansicht, die Beispiele für eine Wasserstoffversorgungseinheit und eine Sauerstoffversorgungseinheit (eine Gasversorgungseinheit) eines Separators in 1 zeigt. In den Figuren, die in der folgenden Beschreibung verwendet werden, sind charakteristische Teile zur Erleichterung des Verständnisses von Merkmalen in einigen Fällen vergrößert dargestellt, und die Formen, Abmessungen, Verhältnisse und dergleichen von Bestandteilen sind nicht auf die dargestellten Bestandteile beschränkt.
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzellenvorrichtung 2 und eine Steuereinheit 3, die im Allgemeinen die Brennstoffzellenvorrichtung 2 steuert, indem sie Signale an verschiedene, im Folgenden zu beschreibende Einrichtungen sendet und von diesen empfängt.
In der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 21 vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel 21 weist eine Konfiguration auf, in der eine Vielzahl von Brennstoffzellen 21A, die jeweils eine Elektrolytmembran 22, eine Brennstoffelektrode 23, eine Oxidationselektrode 24, eine Wasserstoffversorgungseinheit 25 und eine Sauerstoffversorgungseinheit 26 umfassen, in einem Separator 27 laminiert sind (siehe 2A). Um die Beschreibung zu erleichtern, wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Fall beschrieben, in dem der Brennstoffzellenstapel 21 mit einer Brennstoffzelle 21A konfiguriert ist.
In den oberen Bereichen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 sind jeweils ein Wasserstoffversorgungsanschluss 28 und ein Sauerstoffaustrittsanschluss 29 vorgesehen. In den unteren Bereichen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 sind jeweils ein Wasserstoffaustrittsanschluss 30 und ein Sauerstoffversorgungsanschluss 31 vorgesehen.
Wie in 2A dargestellt, hat der Separator 27 die Form einer flachen Platte und umfasst einen Brennstoffelektroden-Seitenabschnitt 32 an der Vorderseite und einen Oxidationselektroden-Seitenabschnitt 33 an der Rückseite. In dem Brennstoffelektroden-Seitenabschnitt 32 sind ein Wasserstoffeinlass 34, der zu dem Wasserstoffversorgungsanschluss 28 korrespondiert, und ein Wasserstoffauslass 35, der zu dem Wasserstoffaustrittsanschluss 30 korrespondiert, vorgesehen. Im Oxidationselektroden-Seitenabschnitt 33 sind ein Sauerstoffeinlass 36, der zu dem Sauerstoffversorgungsanschluss 31 korrespondiert, und ein Sauerstoffauslass 37, der zu dem Sauerstoffaustrittsanschluss 29 korrespondiert, vorgesehen. Die Durchflussmuster 38Aund 39A des Brennstoffelektroden-Seitenabschnitts 32 und des Oxidationselektroden-Seitenabschnitts 33 sind beispielsweise serpentinenförmig und so ausgebildet, dass die Richtungen (schwarze dicke Pfeile in 2A) der Gesamtströme von Wasserstoff, der in den Brennstoffelektroden-Seitenabschnitt 32 fließt, und Sauerstoff, der in den Oxidationselektroden-Seitenabschnitt 33 fließt, einander entgegengesetzt sind. Wie in 2B dargestellt, können die Durchflussmuster 38B und 39B eine pektinierte Form (eine gerade Form) haben. Bei dieser Form sind die Richtungen (schwarze dicke Pfeile in 2B) der Gesamtströme von Wasserstoff, der in den Brennstoffelektroden-Seitenabschnitt 32 fließt, und Sauerstoff, der in den Oxidationselektroden-Seitenabschnitt 33 fließt, einander entgegengesetzt.
In dem Brennstoffzellensystem 1 sind eine Wasserstoffversorgungsquelle 41, ein Wasserstoffzuführungskanal 42, der Wasserstoff von der Wasserstoffversorgungsquelle 41 in die Brennstoffzellenvorrichtung 2 einspeist, und ein Wasserstoffabführungskanal 43, der den Wasserstoff aus der Brennstoffzellenvorrichtung 2 abführt, vorgesehen (siehe 1). Der Wasserstoffzuführungskanal 42 ist mit dem Wasserstoffversorgungsanschluss 28 und der Wasserstoffabführungskanal 43 ist mit dem Wasserstoffaustrittsanschluss 30 verbunden. Im Brennstoffzellensystem 1 sind eine Sauerstoffversorgungsquelle 51, ein Sauerstoffzuführungskanal 52 (ein Gaszuführungskanal), der der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ein Gas (z. B. Sauerstoff) von der Sauerstoffversorgungsquelle 51 zuführt, und ein Sauerstoffabführungskanal 53 (ein Gasabführungskanal), der das Gas aus der Brennstoffzellenvorrichtung 2 abführt, vorgesehen. Der Sauerstoffzuführungskanal 52 ist mit dem Sauerstoffversorgungsanschluss 31 verbunden, und der Sauerstoffabführungskanal 53 ist mit dem Sauerstoffaustrittsanschluss 29 verbunden.
Im Wasserstoffzuführungskanal 42 ist ein Dreiwegeventil 44 vorgesehen. Der Wasserstoffzuführungskanal 42 ist über einen Verbindungskanal 45 mit dem Sauerstoffzuführungskanal 52 verbunden. Der Wasserstoffzuführungskanal 42 ist so gestaltet, dass über den Verbindungskanal 45 je nach Bedarf sowohl der Wasserstoffversorgungseinheit 25 als auch der Sauerstoffversorgungseinheit 26 Wasserstoff zugeführt werden kann. Im Wasserstoffzuführungskanal 42 ist eine Wasserstoffdruckmesseinheit 46 vorgesehen, die den Druck (z. B. den Überdruck) eines der Wasserstoffversorgungseinheit 25 zugeführten Wasserstoffs misst.
Im Wasserstoffabführungskanal 43 ist ein Ventil 47 vorgesehen, das einen Durchflusskanal öffnet bzw. sperrt und so konfiguriert ist, dass der Wasserstoff nach außen abgeleitet (gespült) oder die Ableitung gestoppt werden kann.
Im Sauerstoffzuführungskanal 52 ist ein Ventil 54 vorgesehen, das einen Durchflusskanal öffnet bzw. sperrt und so konfiguriert ist, dass die Zufuhr bzw. das Anhalten von Sauerstoff erfolgen kann. Im Sauerstoffzuführungskanal 52 ist eine Gasdruckmesseinheit 55 vorgesehen, die den Druck (z. B. den Überdruck) eines der Sauerstoffversorgungseinheit 26 zugeführten Gases misst.
Im Sauerstoffabführungskanal 53 ist ein Dreiwegeventil 56 vorgesehen. Der Sauerstoffabführungskanal 53 ist über einen Zirkulationskanal 57 mit dem Sauerstoffzuführungskanal 52 verbunden. Der Sauerstoffabführungskanal 53 ist so konfiguriert, dass ein Gas nach außen abgeleitet (gespült) werden kann und das Gas bei Bedarf über den Zirkulationskanal 57 zur Sauerstoffversorgungseinheit 26 zurückgeführt werden kann. Das heißt, dass in dieser Ausführungsform der Sauerstoffzuführungskanal 52, die Sauerstoffversorgungseinheit 26, der Sauerstoffabführungskanal 53 und der Zirkulationskanal 57 eine Zirkulationsleitung bilden. In der Zirkulationskanal 57 sind eine Zirkulationspumpe 58, eine Druckeinstelleinheit 59 und eine Durchflussmesseinheit 60 vorgesehen, so dass die Zufuhr, die Druckentlastung/-erhöhung und die Durchflussmessung eines Gases (z. B. Sauerstoff) durchgeführt werden. Die im Brennstoffzellensystem 1 verbrauchte Gasmenge kann z.B. durch die Durchflussmesseinheit 60 gemessen werden. Die zirkulierende Sauerstoffmenge kann auf der Grundlage eines Messwerts der Gasmenge mit Hilfe der Zirkulationspumpe 58 eingestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Zirkulationspumpe 58 im Zirkulationskanal 57 angeordnet, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die Zirkulationspumpe 58 kann an jeder beliebigen Stelle der Zirkulationsleitung, z. B. im Sauerstoffabführungskanal 53, vorgesehen sein.
Im Sauerstoffabführungskanal 53 sind ein Kondensator 61 und ein Entfeuchter 62 vorgesehen. Der Kondensator 61 kondensiert die Feuchtigkeit in dem Gas, das durch den Sauerstoffabführungskanal 53 strömt. Der Entfeuchter 62 entfernt die Feuchtigkeit aus dem durch den Kondensator 61 strömenden Gas und gewinnt die Feuchtigkeit aus einem Wasserrückgewinnungstank 63 zurück. Die Einzelheiten einer Konfiguration des Entfeuchter 62 werden im Folgenden beschrieben.
In der Brennstoffzellenvorrichtung 2 wird Wasserstoff (vorzugsweise reiner Wasserstoff) als Reduktionsmittel (Brennstoff) verwendet. Als Oxidationsmittel wird ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Sauerstoff (vorzugsweise reiner Sauerstoff) oder Luft, verwendet. Nachfolgend wird das sauerstoffhaltige Gas einfach als „Gas“ bezeichnet. Wasserstoff wird der Seite der Brennstoffelektrode 23 über den Wasserstoffversorgungsanschluss 28 zugeführt, und das Gas wird der Seite der Oxidationselektrode 24 über den Sauerstoffversorgungsanschluss 31 zugeführt. Der Wasserstoff und das in das Innere des Brennstoffzellenstapels 21 zugeführte Gas strömen in entgegengesetzter Richtung an der Elektrolytmembran 22 entlang. Das bei der Reaktion von Wasserstoff und Gas auf der Sauerstoffseite entstehende Wasser wird durch die Elektrolytmembran 22 bewegt und diffundiert, wie in 3 dargestellt, und das Wasser wird der Wasserstoffseite zugeführt. Auf diese Weise wird der Wasserstoff in der Nähe des Wasserstoffversorgungsanschlusses 28 befeuchtet. Der befeuchtete Wasserstoff fließt in einer Richtung, die dem Gasstrom entgegengesetzt ist, die Wasserdampfmenge wird mit dem Verbrauch des Wasserstoffs ergiebig, eine Bewegung der Feuchtigkeit von der Wasserstoffseite zur Sauerstoffseite findet in der Nähe des Wasserstoffaustrittsanschlusses 30 statt, und somit wird die Umgebung des Sauerstoffversorgungsanschlusses 31 befeuchtet. Infolgedessen bewegt sich die Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels 21 wechselseitig zwischen der Gasseite und der Wasserstoffseite über die Elektrolytmembran 22.
In der Brennstoffzelle 21A ist die Elektrolytmembran 22 zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 eingefügt, Wasserstoff wird der Wasserstoffversorgungseinheit 25 der Brennstoffelektrode 23 zugeführt, und ein Gas wird der Sauerstoffversorgungseinheit 26 der Oxidationselektrode 24 zugeführt, so dass Leistung erzeugt wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist elektrisch mit einer Last 4 eines mobilen Objekts, z. B. eines Fahrzeugs, verbunden, um die Last 4 mit Leistung zu versorgen.
[Wasserstoffbeschichtungseinheit]
11 ist ein Diagramm, das schematisch eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems mit einer Wasserstoffbeschichtungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 in 11 enthält eine Wasserstoffbeschichtungseinheit, die sich im Wesentlichen von dem Brennstoffzellensystem 1 in 1 unterscheidet. Die Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 in 11 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 in 1, und andere Teile werden im Folgenden beschrieben.
Wie in 11 dargestellt, umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2 gemäß der Ausführungsform den Brennstoffzellenstapel 21, eine Wasserstoffbeschichtungseinheit 71, die so angeordnet ist, dass sie den Brennstoffzellenstapel 21 abdeckt und so konfiguriert ist, dass das Innere mit Wasserstoff gefüllt ist, und eine Wasserstoffeinleitungseinheit 72, in der Wasserstoff in die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 eingeführt wird.
Die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 ist ein Behälter, der die Brennstoffzellenvorrichtung 2 in einem Innenraum aufnimmt und den Innenraum abdichten kann. Die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 kann verschiedene Formen haben, z. B. die Form eines rechteckigen Parallelepipeds oder eines Zylinders. Unter dem Gesichtspunkt der Festigkeit ist eine Beutel- oder Zylinderform vorzuziehen. Die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 besteht vorzugsweise aus einem Material, mit dem Neutronen abgeschirmt werden können, z. B. aus einem Metall wie Aluminium. Das Innere der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 wird vorzugsweise in einem Zustand gehalten, in dem eine Druckbeaufschlagung durch Wasserstoff erreicht wird. So kann, selbst wenn ein winziger Riss oder ähnliches in der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 auftritt, ein wasserstoffgefüllter Zustand aufrechterhalten werden.
Die Wasserstoffeinleitungseinheit 72 ist z. B. mit einem anderen System verbunden und versorgt die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 mit Wasserstoff aus einer in dem anderen System vorhandenen Wasserstoffversorgungsquelle. Die Wasserstoffeinleitungseinheit 72 kann mit einem Wasserstofftank 41A verbunden sein, der als Wasserstoffversorgungsquelle dient. In diesem Fall kann der Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 41A der Wasserstoffversorgungseinheit 25 und der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 oder beiden zugeführt werden. In dieser Ausführungsform ist ein Sauerstofftank 51B als Gasversorgungsquelle vorgesehen, und der Sauerstoff aus dem Sauerstofftank 51B wird dem Sauerstoffzuführungskanal 52 zugeführt.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 2 umfasst eine Kapillaranschluss 73, die mit dem Brennstoffzellenstapel 21 in Verbindung steht und das im Brennstoffzellenstapel 21 erzeugte Wasser nach außen aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 ableitet, sowie eine Spülanschluss 74, die in der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 vorgesehen ist und den Innenraum der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 öffnen kann. Der Kapillaranschluss 73 ist z. B. zum Außenraum hin geöffnet. Wenn eine Spülung stattfindet oder eine Tendenz zum Überfluten auftritt, wird ein unnötiges Gas oder Feuchtigkeit innerhalb der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 durch Öffnen eines Ventils in dem Kapillaranschluss 73 in den Außenraum abgelassen. In dem Kapillaranschluss 73 hat zumindest ein stromabwärts gelegener Endabschnitt 73a vorzugsweise die Form einer Kapillare. Auf diese Weise kann eine plötzliche Entleerung verhindert und ein Gas allmählich in den Außenraum abgegeben werden. Der Spülanschluss 74 ist z. B. zum Außenraum hin geöffnet. In einem Fall, in dem eine Sicherheitsgarantie erforderlich ist, oder in einem Notfall kann das Gas oder ähnliches innerhalb der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 so schnell wie möglich durch Öffnen oder Unterbrechen eines in dem Spülanschluss 74 vorgesehenen Ventils abgelassen werden.
12 zeigt eine schematische Darstellung eines modifizierten Beispiels für eine Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in 11.
Wie in 12 dargestellt, umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2 gemäß einem modifizierten Beispiel die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71, die Wasserstoffeinleitungseinheit 72 und eine Wasserstoffabgabeeinheit 75, die Wasserstoff aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 abgibt. Ein Innenraum A der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 steht in Verbindung mit der Wasserstoffversorgungseinheit 25 (siehe 11). Der Wasserstoff wird der Wasserstoffversorgungseinheit 25 zugeführt, indem der Wasserstoff von der Wasserstoffeinleitungseinheit 72 in die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 eingeleitet wird. Das heißt, in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in 12 wird ein Wasserstoffgassystem durch die Wasserstoffeinleitungseinheit 72, den Innenraum A der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 und die Wasserstoffabgabeeinheit 75 gebildet. Das Wasserstoffgassystem versorgt die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 mit Wasserstoff und liefert Wasserstoff an die Wasserstoffversorgungseinheit 25.
In dem in 13 dargestellten modifizierten Beispiel sind die Brennstoffelektrode 23, die Elektrolytmembran 22 und die Oxidationselektrode 24 in dieser Reihenfolge in vertikaler Richtung geschichtet (z. B. in Richtung D3 in der Zeichnung). In diesem Fall ist die Brennstoffelektrode 23 vorzugsweise unterhalb der Elektrolytmembran 22 angeordnet. Auf diese Weise ist der Brennstoffzellenstapel 21 horizontal (quer) angeordnet. Unter Schwerkraftbedingungen können somit sowohl der in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 strömende Wasserstoff als auch das in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 strömende Gas senkrecht zur vertikalen Richtung fließen. Auf diese Weise kann eine gute Gasströmung realisiert werden, bei der der Einfluss der Schwerkraft gering ist.
Im Separator 27 (siehe 2A und 2B) weist ein wasserstoffversorgungsseitiger Abschnitt 76 eine Vielzahl von Rillen 76a auf, die durchgehend in einer Längsrichtung (einer Richtung D1 in 12) des Brennstoffzellenstapels 21 ausgebildet sind, wie beispielsweise in 14 dargestellt. Die oberen Abschnitte der Vielzahl von Rillen 76a sind durch die Laminierung der Brennstoffzelle blockiert. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Durchflussmustern gebildet, die mit dem Innenraum A der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 in Verbindung stehen.
In einer Umgebung mit hoher Elektronenstrahldichte, wie z. B. auf einer Mondoberfläche, besteht die Gefahr, dass die Elektrolytmembran durch radioaktive Strahlen, die durch den Brennstoffzellenstapel 21 hindurchgehen, beschädigt wird oder ähnliches. Daher werden in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 die Neutronen durch den Wasserstoff abgeschirmt, mit dem die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 gefüllt ist. In der Konfiguration, in der die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 mit Wasserstoff gefüllt ist, wie in 13 dargestellt, kann selbst in einer Struktur, in der der wasserstoffversorgungsseitiger Abschnitt 76 des Separators 27 ein einfaches Durchflussmuster wie eine Rillenform aufweist, Wasserstoff, der als Basis der vorstehenden Referenzspannung dient, dem Separator 27 kontinuierlich zugeführt werden, während der Separator 27 mit dieser Konfiguration verwendet wird. Durch die Verwendung eines Wasserstoffgassystems ist es möglich, die Wasserstoffversorgungseinheit 25 mit Wasserstoff zu versorgen und gleichzeitig die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 mit Wasserstoff zu füllen. Dadurch kann die Brennstoffzellenvorrichtung vereinfacht werden.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 2 kann ein Neutronenabschirmelement 77 enthalten, das zwischen der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 und dem Brennstoffzellenstapel 21 angeordnet ist (siehe 12). Die Position, an der das Neutronenabschirmelement 77 angeordnet ist, ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise ist das Neutronenabschirmelement 77 an einer Innenfläche der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 und vorzugsweise so angeordnet, dass es den Brennstoffzellenstapel 21 abdeckt. Die Form des Neutronenabschirmelements 77 ist nicht besonders begrenzt, und es kann eine beliebige Form, z. B. eine Plattenform, verwendet werden. Das Neutronenabschirmelement 77 besteht beispielsweise aus Beryllium, einer Legierung mit Beryllium oder einem Material, das ein Schwermetall enthält. Blei oder eine Legierung mit Blei ist ein Beispiel für ein Schwermetall.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 2 kann ein Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 enthalten, das auf dem Brennstoffzellenstapel 21 angebracht ist. In diesem Fall kommt ein stromaufwärts gelegener Endabschnitt 73b des Kapillaranschlusses 73 in Kontakt mit dem Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 oder ist in der Nähe des Feuchtigkeitsabsorptionselements 78 angeordnet. Das Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 ist z. B. als Maschenelement oder poröses Element ausgebildet. Ein Docht ist beispielsweise ein Beispiel für ein Maschenelement. Da das in der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 erzeugte Wasser über das Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 in den Außenraum abgeleitet wird, kann die Wasserstoffabgabemenge zum Zeitpunkt der Wasserabgabe aus dem Kapillaranschluss 73 reduziert werden.
Das Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 kann an der Unterseite des Brennstoffzellenstapels 21 angeordnet werden. Unter den Bedingungen der Schwerkraft kann das Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 über die gesamte Fläche unter dem Brennstoffzellenstapel 21 verteilt werden und somit als Puffer zum Zeitpunkt der in einem Notfall erforderlichen Wasserabgabe fungieren.
Ein Bereich, der die Position einschließt, an der das Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 angeordnet ist, kann so gekühlt werden, dass die Temperatur relativ niedriger ist als in den anderen Bereichen der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71. Auf diese Weise wird in dem Feuchtigkeitsabsorptionselement 78 leicht Wasser erzeugt, so dass es möglich ist, die Austrittsmenge an Wasserstoff weiter zu reduzieren, wenn Wasser aus dem Kapillaranschluss 73 austritt.
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 ist der Entfeuchter 62 mit dem Sauerstoffabführungskanal 53 der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verbunden und kann von einem Wasserrückgewinnungstank 63 auf einen anderen Wasserrückgewinnungstank 63 umgeschaltet werden (siehe 11). Die Steuereinheit 3 schaltet den Wasserrückgewinnungstank 63 auf der Grundlage eines Produkts (t)×(I) aus einem Stromwert (I) und einer Durchleitungszeit (t) zu der an den Brennstoffzellenstapel 21 angeschlossenen Last 4.
In einer geschlossenen Umgebung und einer Umgebung mit Sauerstoffzufuhr wird in kurzer Zeit viel Wasser erzeugt, obwohl eine effiziente Rückgewinnung des Wassers erforderlich ist. Bei Erkennung einer Wassermenge im Wasserrückgewinnungstank 63 kann das Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 überlaufen, wenn ein Sensor zur Bestimmung der Wassermenge ausfällt oder ähnliches, und es besteht die Möglichkeit, dass ein Problem auftritt, wie z. B. die Unterbrechung der Stromerzeugung und eine weitere Überflutung. In der Ausführungsform misst die Steuereinheit 3 unter Verwendung des Entfeuchters 62, der so ausgestattet ist, dass er zwischen mehreren Wasserrückgewinnungstanks 63 umgeschaltet werden kann, die Leitungszeit (t) zur Last 4 und die Strommesseinheit 7 misst den Stromwert (I), um das Produkt (t)×(I) zu berechnen. Wenn der berechnete Wert des Produkts (t)×(I) gleich oder größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, der auf der Grundlage der Korrelation zwischen dem Produkt (t)×(I) und der theoretisch erzeugten Wassermenge festgelegt wurde, wird festgestellt, dass der verwendete Wasserrückgewinnungstank 63 bis zu einer bestimmten Kapazität mit Wasser gefüllt ist, und ein verwendeter Wasserrückgewinnungstank 63 wird auf einen anderen, nicht verwendeten Wasserrückgewinnungstank 63 umgeschaltet. Auf diese Weise kann das Austreten von Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 zuverlässig verhindert werden und das Auftreten eines Problems, wie z. B. einer Überflutung, wird vermieden.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eine Temperaturmesseinheit 81, die die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 21 (oder der Brennstoffzelle 21A) misst, und eine Temperatureinstelleinheit 82, die eine Temperaturregelung des Brennstoffzellenstapels 21 vornimmt, umfassen. In diesem Fall überträgt die Steuereinheit 3 ein Steuersignal an die Temperatureinstelleinheit 82, das auf einem gemessenen Wert einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 21 basiert. Die Temperatureinstelleinheit 82 kühlt oder heizt den Brennstoffzellenstapel 21 auf der Grundlage des von der Steuereinheit 3 übermittelten Steuersignals. So ist es möglich, den Brennstoffzellenstapel 21 während der Stromerzeugung auf einer geeigneten Temperatur zu halten.
Die Temperaturmesseinheit 81 kann z. B. einen wasserstoffseitigen Temperatursensor, der an einer Wasserstoffleitung des Brennstoffzellenstapels 21 angebracht ist, und einen gasseitigen Temperatursensor, der an einer Gas- (Sauerstoff-) Leitung angebracht ist, umfassen.
Die Temperaturregelung des Brennstoffzellenstapels 21 ist nicht besonders begrenzt und kann z. B. durch Wasserkühlung erfolgen. Bei der Temperaturregelung vom Typ Wasserkühlung kann das durch die Stromerzeugung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erzeugte Wasser verwendet werden.
Die Steuereinheit 3 oder die Temperatureinstelleinheit 82 kann die Temperaturregelung des Brennstoffzellenstapels 21 auf der Grundlage eines von der Spannungsmesseinheit 6 übermittelten Messwerts der Spannung V des Brennstoffzellenstapels 21 durchführen. Die Steuereinheit 3 oder die Temperatureinstelleinheit 82 kann den gemessenen Wert der Spannung V des Brennstoffzellenstapels 21 aufzeichnen, um ihn auf einem Aufzeichnungsmedium, wie z. B. einem Datenlogger, auszulesen.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eine Batterie 8 enthalten, die elektrisch parallel mit dem Brennstoffzellenstapel 21 verbunden ist (siehe 11). Die Batterie 8 ist mit einem Stromversorgungssystem im Inneren eines mobilen Objekts verbunden und kann ein anderes Stromversorgungssystem mit Strom versorgen, z. B. wenn eine ausreichende Stromerzeugung in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 schwierig ist, wie z.B. zum Zeitpunkt der Abnormitätserkennung oder zum Zeitpunkt der Aktivierung. Wenn die Batterie 8 nur zum Zeitpunkt der Aktivierung verwendet wird, kann die Batterie 8 so eingestellt werden, dass sie eine minimal erforderliche Kapazität hat. Dadurch kann die Batterie 8 verkleinert und der Platzbedarf reduziert werden.
Durch diese Verbindung der Batterie 8 mit dem Brennstoffzellenstapel 21 ist es möglich, ein mobiles Objekt im Notfall zurückzubringen, indem die Batterie 8 als Notstromquelle verwendet wird, wenn ein Problem in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 auftritt. Die Batterie 8 kann mit einer photovoltaischen Solaranlage oder einer auf einem Rover montierten Stromerzeugungsanlage mit Temperaturunterschied verbunden werden. In diesem Fall kann die Batterie 8 bei der Erkundung der Mondoberfläche zusätzlich mit Strom geladen werden, der mit der Photovoltaikanlage oder der Vorrichtung zur Erzeugung von Strom aus Temperaturunterschieden erzeugt wurde.
Gemäß der Ausführungsform, ist die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 so angeordnet, dass sie den Brennstoffzellenstapel 21 abdeckt, und so konfiguriert, dass sie mit Wasserstoff gefüllt werden kann. Die Wasserstoffeinleitungseinheit 72 führt Wasserstoff in die Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 ein. Durch die Beschichtung des Brennstoffzellenstapels 21 mit Wasserstoff ist es daher möglich, den Energieverlust von Neutronen aufgrund von Kollisionen mit Wasserstoff zu verhindern und die Verschlechterung und den Verschleiß der Elektrolytmembran 22 erheblich zu reduzieren. Auf diese Weise kann das Auftreten einer Verschlechterung oder eines Ausfalls des Brennstoffzellenstapels 21 verhindert werden. Da der als Reduktionsmittel des Brennstoffzellenstapels 21 verwendete Wasserstoff auch als Füllmaterial im Innenraum der Wasserstoffbeschichtungseinheit 71 verwendet wird, ist es nicht notwendig, ein separates Neutronenabschirmelement vorzusehen. Es ist möglich, die Einfachheit, Gewichtsreduzierung und Platzersparnis des Systems zu realisieren.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2, d.h. eine Impedanzmesseinheit 5, die eine Impedanz Z des Brennstoffzellenstapels 21 misst, eine Spannungsmesseinheit 6, die eine Spannung V des Brennstoffzellenstapels 21 misst, und eine Strommesseinheit 7, die einen in der Last 4 fließenden Strom I misst. An die Steuereinheit 3 werden jeweils ein Signal entsprechend einem Messergebnis der Impedanzmesseinheit 5, ein Signal entsprechend einem Messergebnis der Spannungsmesseinheit 6 und ein Signal entsprechend einem Messergebnis der Strommesseinheit 7 übermittelt.
Als nächstes werden mit Bezug zu den 4-10 die Aktivierungssteuerung, die Steuerung des Dauerbetriebs und die Endsteuerung der Brennstoffzelle als Steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 für das Brennstoffzellensystem 1 nacheinander beschrieben. Die Aktivierungssteuerung, die Steuerung des Dauerbetriebs und die Steuerung der Brennstoffzelle können am Brennstoffzellensystem in 1 oder am Brennstoffzellensystem in 11 durchgeführt werden.
[Aktivierungssteuerung]
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Aktivierungssteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 darstellt, die im Brennstoffzellensystem 1 in 1 durchgeführt wird. 5 ist ein Zeitdiagramm, das eine Zustandsänderung der einzelnen Einheiten bei der Durchführung der Aktivierungssteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in 4 veranschaulicht. Jeder Schritt der Aktivierungssteuerung kann von der Steuereinheit 3 durchgeführt werden.
In der Ausführungsform liegt als Erhaltungszustand (Zeitpunkt t0) ein druckloser und abgeschlossener Zustand vor, in dem weder Wasserstoff noch Sauerstoff zugeführt wird. Dementsprechend ist ein Zustand, in dem die Spannung V 0 V beträgt, ein bevorzugter Zustand.
Wenn die Stromerzeugung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 beginnt, werden zunächst die Wasserstoffversorgungseinheit 25 der Brennstoffelektrode 23 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 der Oxidationselektrode 24 drucklos gemacht (Schritt S11: Zeit t1 von 5). Zum Beispiel können die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 im Außenraum durch Spülen des Wasserstoffabführungskanals 43 und des Sauerstoffabführungskanals 53 drucklos gemacht werden. Unter Atmosphärendruck können die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 durch Pumpen oder ähnliches (nicht dargestellt) in den Wasserstoffabführungskanals 43 und den Sauerstoffabführungskanals 53 druckentlastet werden. Auf diese Weise wird der in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 verbleibende Wasserstoff und der in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verbleibende Sauerstoff abgeführt. Wie weiter unten beschrieben wird, wird das Gas abgeführt, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 2 gelagert wird und sowohl die Wasserstoffversorgungseinheit 25 als auch die Sauerstoffversorgungseinheit 26 mit einem Gas, wie z. B. einem Inertgas, gefüllt wird.
Anschließend wird der Wasserstoffversorgungseinheit 25 Wasserstoff zugeführt (Schritt S 12: Zeitpunkt t2 von 5). Der Wasserstoff aus der Wasserstoffversorgungsquelle 41 wird der Wasserstoffversorgungseinheit 25 über den Wasserstoffzuführungskanal 42 zugeführt. Zur Vereinfachung der Beschreibung in 5 geht der Druck PH2 des Wasserstoffs zum Zeitpunkt t2 in den EIN-Zustand über, aber die Zufuhrmenge kann schrittweise erhöht werden.
Danach wird eine Spannung zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gemessen, und es wird festgestellt, ob die Spannung gleich oder größer als eine Referenzspannung Vs1 ist (Schritt S13). Der Wert der Referenzspannung Vs1 (eine elektromotorische Kraft) ist nicht besonders begrenzt und beträgt z. B. 100 mV. In diesem Schritt kann überprüft werden, ob der Wasserstoffversorgungseinheit 25 normalerweise Wasserstoff zugeführt wird, indem eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugt wird, die der Wasserstoffdichte entspricht, d. h. eine elektromotorische Kraft einer Konzentrationszelle.
Wenn die Spannung zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder größer als die Referenzspannung Vs1 ist (JA in Schritt S13), wird festgestellt, dass der Wasserstoff normalerweise der Wasserstoffversorgungseinheit 25 zugeführt wird und das Gas aus der Sauerstoffversorgungseinheit 26 nach außen abgeleitet wird, während der Sauerstoffversorgungseinheit 26 ein Gas zugeführt wird (Schritt S 14: Zeitpunkt t3 von 5). Zu diesem Zeitpunkt kann die Zirkulationspumpe 58 betrieben werden, um das Gas über den Zirkulationskanal 57 zu zirkulieren. Wenn es sich bei dem Gas um Sauerstoff handelt, ist die Zufuhrmenge an Sauerstoff nicht besonders begrenzt und beträgt beispielsweise das 0,5- bis 10-fache der Zufuhrmenge an Wasserstoff. Wenn Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt wird, kommt es leicht zu einer Überflutung. Daher wird die Zuführungsmenge an Sauerstoff stärker erhöht als in dem Fall, in dem Luft als Oxidationsmittel verwendet wird. In diesem Schritt wird die Desorption der Feuchtigkeit von der Elektrolytmembran 22 durch die Strömung des Sauerstoffs in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 beschleunigt, unnötige Feuchtigkeit wird zusammen mit dem Sauerstoff nach außen abgeführt, und so kann das Auftreten der Überflutung verhindert werden.
Wenn die Spannung zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 kleiner ist als die Referenzspannung Vs1 (NEIN in Schritt 13), kehrt das Verfahren zu Schritt S 12 zurück, um die Zufuhr des Wasserstoffs zur Wasserstoffversorgungseinheit 25 fortzusetzen. Wenn die Spannung trotz der kontinuierlichen Zufuhr des Wasserstoffs zur Wasserstoffversorgungseinheit 25 für eine vorher festgelegte Zeit oder länger unter der Referenzspannung Vs1 liegt, wird festgestellt, dass ein Fehler im Brennstoffzellensystem 1 auftritt. Dann wird die Aktivierungssteuerung gestoppt.
Wenn Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt wird, der Wasserstoff aus irgendeinem Grund entweicht und der Sauerstoff der Sauerstoffversorgungseinheit 26 zugeführt wird, reagiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff radikal. Aufgrund der Reaktion besteht daher die Gefahr, dass der Brennstoffzellenstapel 21 zerstört wird. Wenn der Sauerstoffversorgungseinheit 26 vor der Zufuhr des Wasserstoffs zur Wasserstoffversorgungseinheit 25 ein Gas zugeführt wird, wird außerdem der Kohlenstoff einer katalytischen Schicht einer Elektrode, die insbesondere an die Elektrolytmembran 22 angrenzt, oxidiert. Durch die Oxidation des Kohlenstoffs kommt es zu einem Ausfall oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 21. Durch die Zufuhr des Wasserstoffs zur Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Zufuhr des Gases zur Sauerstoffversorgungseinheit 26 wie in diesem Schritt ist es möglich, das Auftreten einer radikalen Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu verhindern und eine Verschlechterung oder einen Ausfall des Brennstoffzellenstapels 21 zu verhindern.
Anschließend wird die Stromdichte (oder der Strom I) der Brennstoffzellenvorrichtung 2 bis zu einem vorbestimmten Wert Is erhöht, während die Leitung mit Hilfe eines externen Widerstands durchgeführt wird (Schritt S 15: Zeiten t4 bis t5 von 5). Der vorbestimmte Wert Is der Stromdichte ist nicht besonders begrenzt und liegt beispielsweise bei 0 bis 0,1 A/cm². Wie oben beschrieben, wird die Last 4, z. B. eine Heizung oder ein Motor, der in einer geschlossenen Umgebung verwendet wird, an die Brennstoffzellenvorrichtung 2 angeschlossen. Durch Verringerung der Last 4 (Widerstand) kann die Stromdichte der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erhöht werden.
Danach wird festgestellt, ob die Impedanz Z zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert Zs ist (Schritt S 16: Zeitpunkt t5 von 5). Der vorgegebene Schwellenwert für die Impedanz Z ist nicht besonders begrenzt und beträgt beispielsweise 5 mQ bis 20 mΩ bei 1 kHz. Wenn die Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran 22 unzureichend ist, erhöht sich die Impedanz Z. Wenn also die Impedanz Z gleich oder kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist, kann festgestellt werden, dass die Feuchtigkeitsmenge in der Elektrolytmembran 22 angemessen ist, und es ist somit möglich, das Auftreten von Austrocknung zu verhindern. Insbesondere bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel kommt es leicht zum Austrocknen. Daher kann in diesem Schritt mit hoher Genauigkeit überprüft werden, ob eine Austrocknung auftritt.
Wenn die Impedanz Z zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder kleiner als der vorgegebene Wert Zs ist (JA in Schritt S16), wird das Ventil 47 geschlossen, um einen Durchflusskanal zum Wasserstoffabführungskanal 43 zu sperren. Danach werden der Sauerstoffzuführungskanal 52 und der Sauerstoffabführungskanal 53 der Sauerstoffversorgungseinheit 26 über den Zirkulationskanal 57 verbunden, um die Zirkulationsleitung zu bilden. Dann kehrt das Gas aus dem Sauerstoffabführungskanal 53 in den Sauerstoffzuführungskanal 52 zurück (Schritt S 17: Zeit t6 von 5). Auf diese Weise wird der Differenzdruck zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 in geeigneter Weise aufrechterhalten.
Wenn die Impedanz Z zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 den vorbestimmten Wert Zs (NEIN in Schritt S16) überschreitet, wird festgestellt, dass eine Austrocknung stattfindet und die umlaufende Sauerstoffmenge verringert wird. Wenn die Spannung trotz der Impedanz Z, die gleich oder kleiner als der Schwellenwert Zs ist, unter einem vorbestimmten Wert liegt, der niedriger als die Referenzspannung Vs1 ist, kann festgestellt werden, dass eine Überflutung stattfindet, und die umlaufende Sauerstoffmenge kann erhöht werden.
Wenn die Zirkulationspumpe 58 und der Entfeuchter 62 in der Zirkulationsleitung vorgesehen sind, kann das Gas im vorhergehenden Schritt S17 umgewälzt werden, während das Gas mit Hilfe des in der Zirkulationsleitung vorgesehenen Entfeuchters 62 entfeuchtet wird. Auf diese Weise ist es möglich, unnötige Feuchtigkeit aus dem in der Zirkulationsleitung strömenden Gas zu entfernen und das Auftreten von Überflutungen weiter zu verhindern. Insbesondere bei der Verwendung von Sauerstoff als Oxidationsmittel kommt es leicht zu Überflutungen. Daher ist es in diesem Schritt möglich, das Auftreten von Überflutungen zuverlässig zu verhindern.
Wenn die Zirkulationspumpe 58 im Zirkulationskanal 57 auf der Zirkulationsleitung vorgesehen ist (siehe 1) und die Impedanz Z gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Zs im vorhergehenden Schritt S17 ist, kann die Zirkulationspumpe 58 in einem Zustand aktiviert werden, in dem das Gas von der Sauerstoffversorgungsquelle 51 des Gases über den Sauerstoffzuführungskanal 52, die Sauerstoffversorgungseinheit 26 und den Sauerstoffabführungskanal 53 nach außen zirkuliert wird. In diesem Fall kehrt das Gas aus dem Sauerstoffabführungskanal 53 in den Sauerstoffzuführungskanal 52 zurück, indem ein Auslasssystem geschlossen wird, das das Gas aus dem Sauerstoffabführungskanal 53 nach außen ableitet. Das Schließen des Auslasssystems kann z. B. mit dem Dreiwegeventil 56 erfolgen. Auf diese Weise wird das gesamte im Sauerstoffabführungskanal 53 strömende Gas über den Zirkulationskanal 57 in den Sauerstoffzuführungskanal 52 geleitet und befindet sich somit in einem Zustand, in dem das Gas nicht nach außen abgeleitet wird.
Anschließend wird eine Druckdifferenz ΔP zwischen dem Wasserstoff der Wasserstoffversorgungseinheit 25 und dem Gas der Sauerstoffversorgungseinheit 26 gemessen und festgestellt, ob die Druckdifferenz ΔP gleich oder kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert ist (Schritt S18). Der vorbestimmte Schwellenwert ist nicht besonders begrenzt und ist z.B. größer als 0 und beträgt 50 kPa (0<ΔP<50 kPa). Wenn die Druckdifferenz ΔP größer ist als der vorgegebene Schwellenwert (JA in Schritt S18), wird die umlaufende Gasmenge verringert (Schritt S19). Indem die Druckdifferenz gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert eingestellt wird, kann verhindert werden, dass die Elektrolytmembran 22 aufgrund eines Gasdrucks zerreißt. Vorzugsweise wird der Druck PGAS des Gases höher als der Druck PH2 des Wasserstoffs eingestellt (ΔP=PGAS-PH2). Auf diese Weise lässt sich ein sicherer Betrieb realisieren. Wenn die Druckdifferenz ΔP gleich oder kleiner als der vorgegebene Schwellenwert ist (NEIN in Schritt S18), wird die Aktivierungssteuerung beendet und der Prozess geht zur Steuerung des Dauerbetriebs über, der weiter unten beschrieben wird.
Wie oben beschrieben, wird der Wasserstoff gemäß der Aktivierungssteuerung der Wasserstoffversorgungseinheit 25 zugeführt (Schritt S12). Wenn die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder größer ist als die Referenzspannung Vs1 (JA in Schritt S13), wird das Gas aus der Sauerstoffversorgungseinheit 26 nach außen abgeleitet, während das Gas der Sauerstoffversorgungseinheit 26 zugeführt wird (Schritt S14). Daher kann genau bestimmt werden, ob der Wasserstoff normalerweise der Wasserstoffversorgungseinheit 25 zugeführt wird, indem die Referenzspannung verwendet wird, und das Gas wird der Sauerstoffversorgungseinheit 26 basierend auf einem Bestimmungsergebnis zugeführt. Daher ist es möglich, das Auftreten einer Verschlechterung oder eines Ausfalls des Brennstoffzellenstapels 21 zu verhindern. Dementsprechend ist es möglich, das Auftreten eines Problems in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 während der Aktivierung zu verhindern, und es ist möglich, die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu verbessern.
[Steuerung des Dauerbetriebs]
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung des Dauerbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in dem Brennstoffzellensystem 1 in 1 darstellt. 7 ist ein Zeitdiagramm, das eine Zustandsänderung jeder Einheit veranschaulicht, wenn die Steuerung des Dauerbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in 6 durchgeführt wird. Jeder Schritt der Steuerung des Dauerbetriebs kann von der Steuereinheit 3 in ähnlicher Weise wie die vorangehende Aktivierungssteuerung durchgeführt werden.
Zunächst wird während eines Dauerbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 2 festgestellt, ob die Impedanz Z zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 größer als der vorgegebene Schwellenwert ist (Schritt S21). Der vorbestimmte Schwellenwert der Impedanz Z kann, wie oben beschrieben, beispielsweise als 1 kHz (ein fester Wert) gemessen werden und kann auf der Grundlage von etwa drei Punkten der Impedanz zwischen 10 mHz und 1 kHz festgelegt werden. Wenn der vorbestimmte Schwellenwert auf der Grundlage von etwa drei Punkten der Impedanz festgelegt wird, können Impedanzdaten (ein Nyquist-Diagramm) erfasst werden, drei Frequenzpunkte, die eine typische Impedanz anzeigen, können bestimmt werden, und der vorbestimmte Schwellenwert kann unter Verwendung der Impedanz zu diesem Zeitpunkt bestimmt werden, zum Beispiel in einem Zustand, in dem die Brennstoffzellenvorrichtung 2 intakt ist.
Wenn die Impedanz Z größer als der vorgegebene Schwellenwert ist (JA in Schritt S21: Zeitpunkt t31 von 7), wird die Austrocknung der Elektrolytmembran 22 festgestellt und die Strömungsgeschwindigkeit des Gases, das durch den Zirkulationskanal 57 zirkuliert, der den Sauerstoffzuführungskanal52 mit dem Sauerstoffabführungskanal53 verbindet, verringert (Schritt S22: Zeitpunkt t31 bis t32 von 7). Auf diese Weise kann die Entladung der Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran 22 durch den Gasstrom der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verhindert werden, und die Elektrolytmembran 22 kann in einen geeigneten befeuchteten Zustand übergehen.
In Schritt S22 wird das Auftreten eines Trockenlaufs auf der Grundlage der Impedanz Z bestimmt, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Das Auftreten des Trockenlaufs kann auf der Grundlage einer oder mehrerer Stromunterbrechungen, einer Laständerung und des Gleichstromwiderstands bestimmt werden. Das Auftreten des Trockenlaufs kann auf der Grundlage der Impedanz Z und einer oder mehrerer Stromunterbrechungen, einer Laständerung und des Gleichstromwiderstands bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das Auftreten des Trockenlaufs genauer zu bestimmen.
Wenn die Impedanz Z größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, wird die Durchflussrate des durch den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases verringert, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Die Durchflussrate des durch den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases kann verringert werden und die Durchflussrate des Gases kann verringert werden. So kann die Elektrolytmembran 22 in kürzerer Zeit in einen geeigneten befeuchteten Zustand übergehen.
Umgekehrt wird, wenn die Impedanz Z gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist (NEIN in Schritt S21), die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gemessen und es wird bestimmt, ob die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist (Schritt S23). Der erste vorbestimmte Schwellenwert der Spannung V ist nicht besonders begrenzt und liegt zum Beispiel im Bereich von 500 mV bis 600 mV.
Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist (JA in Schritt S23: Zeit t33 bis t34 von 7), wird die Überflutung bestimmt und eine Durchflussmenge des über den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases erhöht (Schritt S24: Zeit t33 bis t34 von 7). Wenn beispielsweise die Impedanz Z gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist und die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, wird eine Ausstoßmenge der Zirkulationspumpe 58 erhöht und die zirkulierende Gasmenge wird erhöht. Auf diese Weise kann die Abgabe der Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran 22 durch den Gasstrom der Sauerstoffversorgungseinheit 26 beschleunigt werden und die Elektrolytmembran 22 kann in einen geeigneten befeuchteten Zustand übergehen. Wenn die Spannung V den ersten vorbestimmten Schwellenwert bei der Steuerung von Schritt S24 überschreitet, wird die Durchflussrate des über den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases in den stationären Zustand zurückgeführt (Zeitpunkt t35 von 7).
Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert in Schritt S24 ist, wird die Durchflussrate des über den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases erhöht, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Die Durchflussrate des durch den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases kann erhöht werden, und die Durchflussrate des Gases kann erhöht werden. Dadurch kann die Elektrolytmembran 22 in kürzerer Zeit in einen geeigneten befeuchteten Zustand übergehen.
Anschließend wird erneut ermittelt, ob die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder kleiner als der erste vorgegebene Schwellenwert ist (Schritt S25). Wenn die Spannung V bei der erneuten Bestimmung (JA in Schritt S25) gleich oder kleiner als der erste vorgegebene Schwellenwert ist, wird die Wasserstoffversorgungseinheit 25 gespült (Schritt S26: Zeitpunkt t34 von 7) und ein weiterer Betrieb gestoppt (Schritt S27). Im Allgemeinen kann die Elektrolytmembran 22 durch die vorstehend beschriebene Einstellung des Gasdurchsatzes in einen geeigneten befeuchteten Zustand versetzt werden. In einigen Fällen wird die Spannung V jedoch aus irgendeinem Grund nicht wieder auf einen normalen Wert gebracht. In diesen Fällen kann durch Spülen der Wasserstoffversorgungseinheit 25 in Schritt S27 die Feuchtigkeit in der Elektrolytmembran 22 durch das Spülen abgeführt werden, und die Spannung V kann auf einen normalen Wert zurückgeführt werden, der gleich oder größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist.
Wenn die Spannung V größer ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert in Schritt S23 (NEIN in Schritt S23) oder die Spannung V größer ist als der erste vorbestimmte Schwellenwert bei der Neubestimmung von Schritt S25 (NEIN in Schritt S25), kehrt der Prozess zu Schritt S21 zurück. Das Verfahren geht zur Endsteuerung über, die weiter unten beschrieben wird, falls erforderlich.
Ein Verfahren zur Spülung der Wasserstoffversorgungseinheit 25 ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise wird im Außenraum eine Kapillare (nicht abgebildet) im Wasserstoffabführungskanal 43 vorgesehen, und Wasserstoff wird über die Kapillare in den Außenraum abgegeben. Da sich die Brennstoffzellenvorrichtung 2 normalerweise in einer Druckkabine befindet, in der sich Menschen aufhalten, wird der Wasserstoff im Wasserstoffabführungskanal 43 allmählich entspannt, und ein plötzliches Austreten des Wasserstoffs wird verhindert. So ist es möglich, die Wasserstoffversorgungseinheit 25 in einer einfachen Konfiguration sicher zu spülen.
Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, wird die Wasserstoffversorgungseinheit 25 in Schritt S27 gespült, aber die vorliegende Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, kann die Wasserstoffversorgungseinheit 25 gespült werden und die Wasserstoffversorgungseinheit 25 kann periodisch zu einem separaten vorbestimmten Zeitpunkt gespült werden. Der vorbestimmte Zeitpunkt der Spülung ist nicht besonders begrenzt und beträgt beispielsweise ein Intervall von 15 Minuten.
Außerdem kann ein Warmhalteelement (nicht abgebildet) im Wasserstoffzuführungskanal 42 oder im Wasserstoffabführungskanal 43 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann eine Kondensation oder ein Einfrieren, das bei der Spülung der Wasserstoffversorgungseinheit 25 auftreten kann, verhindert werden, und die Spülung kann sicherer und zuverlässiger durchgeführt werden.
Wenn die Impedanz Z zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 größer ist als der vorgegebene Schwellenwert (JA in Schritt S21), wird, wie oben beschrieben, die Durchflussmenge des über den Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases verringert (Schritt S22). Umgekehrt wird, wenn die Impedanz Z gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist (NEIN in Schritt S21), bestimmt, ob die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist (Schritt S23). Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, wird die Durchflussrate des im Zirkulationskanal 57 zirkulierenden Gases erhöht. Das heißt, dass durch die Verwendung sowohl der Impedanz Z als auch der Spannung V genau bestimmt werden kann, ob während der Stromerzeugung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ein Austrocknen oder ein Überfluten auftritt, und dass die Elektrolytmembran 22 auf der Grundlage des Bestimmungsergebnisses in einen geeigneten befeuchteten Zustand übergehen kann. Dementsprechend ist es möglich, sowohl das Auftreten von Überflutung als auch das Auftreten von Austrocknung zu verhindern, und es ist möglich, eine Stromerzeugung zu realisieren, bei der eine gute Wasserbilanz aufrechterhalten wird.
(Not-Aus-Steuerung)
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Not-Aus-Steuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 während des Dauerbetriebs zeigt. Die Not-Aus-Steuerung wird unabhängig oder parallel zur vorangegangenen Dauerbetriebssteuerung durchgeführt. Jeder Schritt eines Not-Aus-Verfahrens kann von der Steuereinheit 3 in ähnlicher Weise durchgeführt werden wie die Steuerung im Dauerbetrieb.
Die Not-Aus-Steuerung wird durchgeführt, wenn eine Temperatur Tf des Brennstoffzellenstapels 21 der Brennstoffzellenvorrichtung 2 größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert (JA in Schritt S31), Sauerstoff in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 festgestellt wird (JA in Schritt S32) oder die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 kleiner ist als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert (JA in Schritt S33) und somit das Auftreten einer Anomalie der Brennstoffzellenvorrichtung 2 festgestellt wird.
Der vorgegebene Schwellenwert für die Temperatur Tf ist nicht besonders begrenzt und liegt beispielsweise bei 90 bis 100 °C. So kann eine Temperaturabweichung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erkannt und die Brennstoffzellenvorrichtung 2 sicher abgeschaltet werden. Sauerstoff in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 kann z. B. durch einen Sauerstoffsensor (nicht dargestellt) in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 erkannt werden. So kann ein Austritt von Sauerstoff in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erkannt und die Brennstoffzellenvorrichtung 2 sicher gestoppt werden. Der zweite vorbestimmte Schwellenwert der Spannung V ist nicht besonders begrenzt und liegt unter dem ersten vorbestimmten Schwellenwert der Spannung V Wenn beispielsweise Strom mit Wasserstoff/Sauerstoff erzeugt wird, beträgt der zweite vorbestimmte Schwellenwert 400 mV bis 500 mV pro Zelle. Wenn also viel Wasser durch die Brennstoffzellenvorrichtung 2 erzeugt wird, kann die Brennstoffzellenvorrichtung 2 sicher angehalten werden.
Die Bestimmung des Auftretens von Anomalien kann in 7 nacheinander oder parallel zu einem geeigneten Zeitpunkt erfolgen
Wenn die Temperatur Tf des Brennstoffzellenstapels 21 größer als der vorgegebene Schwellenwert ist, Sauerstoff in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 festgestellt wird oder die Spannung V kleiner als der zweite vorgegebene Schwellenwert ist, wird zunächst die mit dem Brennstoffzellenstapel 21 verbundene Last 4 verringert (Schritt S34). Beispielsweise wird die Last 4 (Widerstand) auf der Grundlage eines von der Steuereinheit 3 übermittelten Abnormitätssignals verringert.
Anschließend wird die Gaszufuhr zur Sauerstoffversorgungseinheit 26 gestoppt und die Zirkulation des Gases, das im Zirkulationskanal 57 zirkuliert, der den Sauerstoffzuführungskanal52 mit dem Sauerstoffabführungskanal53 verbindet, unterbrochen (Schritt S35). Beispielsweise wird das stromaufwärts vom Sauerstoffzuführungskanal 52 vorgesehene Ventil 54 geschlossen, um die Zufuhr des Gases zur Sauerstoffversorgungseinheit 26 zu stoppen. Im Dreiwegeventil 56, das im Sauerstoffabführungskanal 53 vorgesehen ist, wird die Zufuhr des Gases aus dem Sauerstoffabführungskanal 53 zum Zirkulationskanal 57 gestoppt, und das Gas wird aus dem Sauerstoffabführungskanal 53 nach außen abgeleitet. Außerdem kann die Zirkulationspumpe 58 des Zirkulationskanals 57 gestoppt werden.
Ferner werden die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 drucklos gemacht (Schritt S36). Ein Verfahren zur Druckentlastung der Wasserstoffversorgungseinheit 25 ist nicht besonders beschränkt. Im Außenraum wird beispielsweise der Wasserstoffabführungskanal 43 zum Außenraum hin geöffnet, um den Wasserstoff in den Außenraum abzulassen, ähnlich wie bei der Spülmethode. Ein Verfahren zur Druckentlastung der Sauerstoffversorgungseinheit 26 kann ebenfalls durchgeführt werden, indem der Sauerstoffabführungskanal 53 zum Außenraum geöffnet wird und das Gas in den Außenraum abgelassen wird, ähnlich wie bei dem Verfahren zur Druckentlastung der Wasserstoffversorgungseinheit 25. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Wasserstoff nicht in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 verbleibt und das Gas nicht in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verbleibt.
Durch das Not-Aus-Verfahren kann die Brennstoffzellenvorrichtung 2 sicher gestoppt werden, wenn eine Umgebung bzw. Situation eintritt, in der ein Notfall während des laufenden Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 2 erforderlich ist.
Wenn mindestens zwei der drei oben beschriebenen Arten von Anomalien erfüllt sind, kann die an den Brennstoffzellenstapel 21 angeschlossene Last 4 verringert werden, die Zufuhr des Gases zur Sauerstoffversorgungseinheit 26 kann gestoppt werden, die Zirkulation des Gases über den Zirkulationskanal 57 kann gestoppt werden, und die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 können weiter drucklos gemacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Bedingungen für den Not-Aus strenger festzulegen und einen Not-Aus aufgrund einer fehlerhaften Erfassung zu verhindern.
[Endsteuerung]
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Endsteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in dem Brennstoffzellensystem 1 in 1 zeigt. 10 ist ein Zeitdiagramm, das die Änderung eines Zustands jeder Einheit bei der Durchführung der Endsteuerung der Brennstoffzellenvorrichtung 2 in 8 veranschaulicht. Jeder Schritt der Endsteuerung kann von der Steuereinheit 3 ausgeführt werden, ähnlich wie ein Aktivierungsvorgang.
Wenn ein Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 2, in dem die Steuerung des Dauerbetriebs durchgeführt wird (Zeit t30 bis t31 von 7), endet, wird die Last 4 zunächst verringert (Schritt S41: Zeit t21 bis t22 von 10). Danach wird der Wasserstoffabführungskanal 43 geöffnet, die Wasserstoffversorgungseinheit 25 der Brennstoffelektrode 23 gespült, der Sauerstoffabführungskanal53 geöffnet und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 der Oxidationselektrode 24 gespült (Schritt S42: Zeitpunkt t22 von 10). Ein Verfahren zum Spülen der Wasserstoffversorgungseinheit 25 und ein Verfahren zum Spülen der Sauerstoffversorgungseinheit 26 können beispielsweise in ähnlicher Weise wie das vorangehende Spülverfahren durchgeführt werden. Dabei wird der Wasserstoff in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 nach außen abgeleitet und das Gas in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 nach außen abgeleitet.
Nachdem die Spülung von Schritt S42 aufgehoben wurde (Zeit t23 von 10), wird die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 gemessen und es wird bestimmt, ob die Spannung V größer als ein vorbestimmter Schwellenwert Vs2 ist (Schritt S43). Der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 der Spannung V ist nicht besonders begrenzt, solange der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 eine Spannung ist, bei der ein Katalysator einer Elektrode oxidiert wird. Zum Beispiel beträgt der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 300 mV pro Zelle. Wenn die Spannung V größer als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist (JA in Schritt S43), wird die Stromerzeugung in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 fortgesetzt, bis die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 wird (Schritt S44: Zeit t23 bis t24 von 10). Da sowohl die Wasserstoffversorgungseinheit 25 der Brennstoffelektrode 23 als auch die Sauerstoffversorgungseinheit 26 der Oxidationselektrode 24 gespült werden, kann die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 durch die Stromerzeugung in diesem Schritt verringert werden.
Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist (NEIN in Schritt S43), werden die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 drucklos gemacht (Schritt S45: Zeit t24 von 10). Ein Verfahren zur Druckentlastung der Wasserstoffversorgungseinheit 25 und ein Verfahren zur Druckentlastung der Sauerstoffversorgungseinheit 26 können ebenfalls durchgeführt werden, ähnlich wie das Verfahren zur Druckentlastung. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Wasserstoff nicht in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 verbleibt und das Gas nicht in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verbleibt.
Danach werden die Brennstoffelektrode 23 und die Oxidationselektrode 24 bei Bedarf kurzgeschlossen (Schritt S46: Zeit t25 von 10) und der Prozess beendet. So kann eine Potentialdifferenz zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 zuverlässig auf 0 gesetzt werden. Das Kurzschließen zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 kann z.B. durch elektrisches Parallelschalten eines Schalters (nicht dargestellt) zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 erfolgen.
Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist (NEIN in Schritt S43), können die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 mit Wasserstoff oder einem Inertgas gefüllt werden. Wenn die Sauerstoffversorgungseinheit 26 mit Wasserstoff gefüllt ist, kann der Wasserstoff von dem Wasserstoffzuführungskanal 42 über den Verbindungskanal 45 zu dem Sauerstoffzuführungskanal 52 geleitet werden. Auf diese Weise kann ein Katalysator einer Elektrode der Brennstoffzellenvorrichtung 2, insbesondere der Oxidationselektrode 24, in einem weiteren nicht oxidierten Zustand gehalten werden. Da die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 mit Wasserstoff gefüllt sind und die Spannung V ausreichend niedrig ist, kann eine Verschlechterung des Katalysators aufgrund einer Oxidationsreaktion einschließlich Verbrennung vermieden werden.
Der Wasserstoff, mit dem die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 gefüllt sind, kann durch die im Schritt S 11 (siehe 4) der Aktivierungssteuerung durchgeführte Druckentlastung bei der anschließenden Aktivierung nach außen abgeführt werden.
Die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 können mit Wasserstoff oder dergleichen befüllt werden, wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist und bevor die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 drucklos gemacht werden. Die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 können mit Wasserstoff oder ähnlichem befüllt werden, wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist und nachdem die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 drucklos gemacht wurden.
Die Brennstoffelektrode 23 und die Oxidationselektrode 24 können kurzgeschlossen werden, nachdem die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 mit Wasserstoff oder einem Inertgas gefüllt sind. So kann eine durch Verbrennung verursachte Schädigung des Katalysators zuverlässig vermieden werden.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Endsteuerung die Wasserstoffversorgungseinheit 25 der Brennstoffelektrode 23 gespült und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 der Oxidationselektrode 24 gespült (Schritt S42). Wenn die Spannung V zwischen der Brennstoffelektrode 23 und der Oxidationselektrode 24 größer als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist, wird die Stromerzeugung in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 fortgesetzt (Schritt S44). Wenn die Spannung V gleich oder kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert Vs2 ist, werden die Wasserstoffversorgungseinheit 25 und die Sauerstoffversorgungseinheit 26 drucklos gemacht (Schritt S45). Somit kann in einem Zustand, in dem der Wasserstoff nur noch selten in der Wasserstoffversorgungseinheit 25 und das Gas nur noch selten in der Sauerstoffversorgungseinheit 26 verbleibt, der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 2 beendet werden, die Brennstoffzellenvorrichtung 2 bis zu einer späteren Aktivierung in einem sicheren Zustand gespeichert werden und die Brennstoffzellenvorrichtung 2 auch bei der späteren Aktivierung sicher aktiviert werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden oben im Detail beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Modifikationen können im Rahmen des in den Ansprüchen beschriebenen Grundgedankens der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
Beispielsweise kann ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems und der Brennstoffzellenvorrichtung auch als Verfahren für den Weltraum auf ein Fahrzeug wie einen Rover für die Mondforschung angewendet werden. Das Verfahren kann als Verfahren für den Boden auf ein mobiles Objekt wie ein Fahrzeug angewendet werden, das in einer Gravitationsumgebung eingesetzt wird, wie z. B. ein Brennstoffzellenfahrzeug.
Durch die Kombination der Oxidationsreaktion von Wasserstoff, die in der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird, und der Zersetzungsreaktion von Wasser ist es möglich, die Leistungserzeugung reversibel zu wiederholen, und es ist möglich, ein äußerst nützliches regeneratives Brennstoffzellensystem zu konstruieren. Insbesondere kann das obige System als ein System für den Boden zur regenerativen Energiespeicherung und Transport-Wasserstoff-Produktion angewendet werden.
[Industrielle Anwendbarkeit]
Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ist es möglich, einen hohen Neutronenabschirmungseffekt und die Einfachheit, das Gewicht und den Platzbedarf eines Systems zu reduzieren.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzellenvorrichtung
3: Steuereinheit
4: Last
5: Impedanzmesseinheit
6: Spannungsmesseinheit
7: Strommesseinheit
8: Batterie
21: Brennstoffzellenstapel
21A: Brennstoffzelle
22: Elektrolytmembran
23: Brennstoffelektrode
24: Oxidationselektrode
25: Wasserstoffversorgungseinheit
26: Sauerstoffversorgungseinheit
27: Separator
28: Wasserstoffversorgungsanschluss
29: Sauerstoffaustrittsanschluss
30: Wasserstoffaustrittsanschluss
31: Sauerstoffversorgungsanschluss
32: Brennstoffelektroden-Seitenabschnitt
33: Oxidationselektroden-Seitenabschnitt
34: Wasserstoffeinlass
35: Wasserstoffauslass
36: Sauerstoffeinlass
37: Sauerstoffauslass
38A: Durchflussmuster
38B: Durchflussmuster
39A: Durchflussmuster
39B: Durchflussmuster
41: Wasserstoffversorgungsquelle
41A: Wasserstofftank
42: Wasserstoffzuführungskanal
43: Wasserstoffabführungskanal
44: Dreiwegeventil
45: Verbindungskanal
46: Wasserstoffdruckmesseinheit
47: Ventil
51: Sauerstoffversorgungsquelle
51B: Sauerstofftank
52: Sauerstoffzuführungskanal
53: Sauerstoffabführungskanal
54: Ventil
55: Gasdruckmesseinheit
56: Dreiwegeventil
57: Zirkulationskanal
58: Zirkulationspumpe
59: Druckeinstelleinheit
60: Durchflussmesseinheit
61: Kondensator
62: Entfeuchter
63: Wasserrückgewinnungstank
71: Wasserstoffbeschichtungseinheit
72: Wasserstoffeinleitungseinheit
73: Kapillaranschluss
73a: Stromabwärts gelegener Endabschnitt
73b: Stromaufwärts gelegener Endabschnitt
74: Spülanschluss
75: Wasserstoffabgabeeinheit
76: wasserstoffversorgungsseitiger Abschnitt
76a: Rille
77: Neutronenabschirmelement
78: Feuchtigkeitsabsorptionselement
81: Temperaturmesseinheit
82: Temperatureinstelleinheit

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 2020024704 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) aufweisend: eine Brennstoffzelle (21A), in der eine Elektrolytmembran (22) zwischen einer Brennstoffelektrode (23) und einer Oxidationselektrode (24) eingefügt ist, wobei Wasserstoff zu einer Wasserstoffversorgungseinheit (25) der Brennstoffelektrode (23) zugeführt wird und ein sauerstoffhaltiges Gas zu einer Gasversorgungseinheit der Oxidationselektrode (24) zugeführt wird, so dass Leistung erzeugt wird; eine Wasserstoffbeschichtungseinheit (71), die so angeordnet ist, dass sie die Brennstoffzelle (21A) abdeckt und so konfiguriert ist, dass sie intern mit Wasserstoff gefüllt wird; und eine Wasserstoffeinleitungseinheit (72), die so konfiguriert ist, dass sie Wasserstoff in die Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) einführt.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Wasserstoffabgabeeinheit (75), die so konfiguriert ist, dass sie Wasserstoff aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) abgibt, wobei ein Innenraum der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) mit der Wasserstoffversorgungseinheit (25) in Verbindung steht; und wobei Wasserstoff der Wasserstoffversorgungseinheit (25) zugeführt wird, indem der Wasserstoff von der Wasserstoffeinleitungseinheit (72) und der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) eingeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend ein Neutronenabschirmelement (77), das zwischen der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) und der Brennstoffzelle (21A) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 3, wobei das Neutronenabschirmelement (77) ein schwermetallhaltiges Material aufweist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend einen Anschluss, der so konfiguriert ist, dass dieser mit der Brennstoffzelle (21A) in Verbindung steht und das in der Brennstoffzelle (21A) erzeugte Wasser nach außen aus der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) ableitet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, wobei ein stromabwärts gelegener Endabschnitt (73a) des Anschlusses die Form einer Kapillare hat.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 5, aufweisend ein Feuchtigkeitsabsorptionselement (78), das an der Brennstoffzelle (21A) angebracht ist, wobei ein stromaufwärts gelegener Endabschnitt (73b) des Anschlusses mit dem Feuchtigkeitsabsorptionselement (78) in Kontakt kommt oder in dessen Nähe angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei ein Innenraum der Wasserstoffbeschichtungseinheit (71) in einem Zustand gehalten wird, in dem eine Druckbeaufschlagung durch Wasserstoff erreicht wird.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend einen Entfeuchter (62), der mit einem Gasabführungskanal der Gasversorgungseinheit verbunden und so konfiguriert ist, dass er von einem Wasserrückgewinnungstank (63) auf einen anderen Wasserrückgewinnungstank (63) umgeschaltet werden kann, wobei der Wasserrückgewinnungstank (63) auf der Grundlage eines Produkts aus einem Stromwert und einer Durchlaufzeit zu einer an die Brennstoffzelle (21A) angeschlossenen Last (4) umgeschaltet wird.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Temperaturmesseinheit (81), die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperatur der Brennstoffzelle (21A) misst, und eine Temperatureinstelleinheit (82), die so konfiguriert ist, dass sie eine Temperaturregelung der Brennstoffzelle (21A) durchführt.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, aufweisend eine Batterie (8), die elektrisch parallel mit der Brennstoffzelle (21A) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Brennstoffelektrode (23), die Elektrolytmembran (22) und die Oxidationselektrode (24) in dieser Reihenfolge in vertikaler Richtung geschichtet angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 12, wobei die Brennstoffelektrode (23) unterhalb der Elektrolytmembran (22) angeordnet ist.