DE69708422T2 - Brennstoffzellengenerator mit Kontrollsystem und Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mit Hilfe von Brennstoffzellen - Google Patents

Brennstoffzellengenerator mit Kontrollsystem und Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mit Hilfe von Brennstoffzellen

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellengenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der Brennstoffzellen verwendet, die eine Zuführmenge eines Reaktionsgases aufnehmen, das einer Elektrode mit einem darauf angeordneten Katalysator zugeführt wird, und durch eine chemische Reaktion des Reaktionsgases eine elektromotorische Kraft erzeugen, und betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mittels Brennstoffzellen.
    • Bemerkungen zum Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind eine bekannte Vorrichtung zum direkten Umwandeln chemischer Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie. Jede Brennstoffzelle weist ein Paar von Elektroden auf, die entlang einem Elektrolyt angeordnet sind, wobei die Oberfläche einer Elektrode Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen gasförmigen Brennstoff ausgesetzt ist und die Oberfläche der anderen Elektrode einem sauerstoffhaltigen, oxidierenden Gas ausgesetzt ist. Die elektrische Energie wird bei elektrochemischen Reaktionen den Elektroden entnommen.
  • Wie bekannt ist, hängt die Abgabe elektrischer Energie der Brennstoffzellen von einer Vielzahl von Betriebsbedingungen ab, wie z. B. ein Gasdruck, eine Zellentemperatur und ein Gasausnutzungsverhältnis. Der herkömmliche Aufbau erhöht die Leistung der Brennstoffzellen durch zweckentsprechende Einstellung dieser Betriebsbedingungen. Ein Beispiel des herkömmlichen Aufbaus ist ein Brennstoffzellengenerator, der in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5-283091 beschrieben ist. Dieser Generator regelt die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf eine ideale Betriebstemperatur (ungefähr 80ºC in dem Fall von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen), um die Batterieleistung zu erhöhen.
  • In dem Fall, daß der auf der Elektrode der Brennstoffzellen angeordnete Katalysator durch Kohlenmonoxid vergiftet ist, kann die Regelung der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf die ideale Betriebstemperatur nicht zu einer hohen Leistungsabgabe der Brennstoffzellen führen. Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat demgemäß einen verbesserten Brennstoffzellengenerator vorgeschlagen, der in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-138710 beschrieben ist. Der vorgeschlagene Generator regelt die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf eine vorbestimmte Temperatur, die höher als die ideale Betriebstemperatur ist, wodurch die Leistung der Brennstoffzellen selbst in dem Vergiftungszustand des Katalysators auf der Elektrode erhöht wird.
  • Die Regelung der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf eine Temperatur, die höher als die ideale Betriebstemperatur in dem Vergiftungszustand des Katalysators auf der Elektrode ist, erhöht die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen aus dem folgenden Grund. Das Gleichgewicht der Adsorption und Freisetzung von Kohlenmonoxid auf und von der Oberfläche des Platinkatalysators, der auf der Elektrode in den Brennstoffzellen angeordnet ist, wird in die Richtung der Freisetzung von Kohlenmonoxid verschoben, verbunden mit einer Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzellen. Dies bedeutet, daß die Adsorptionsmenge des Kohlenmonoxids mit einer Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzellen abnimmt. Wenn die Temperatur der Brennstoffzellen höher als die ideale Betriebstemperatur ist, hebt der Grad dieser Wirkung die Verminderung der Batterieleistung infolge der erhöhten Temperatur der Brennstoffzellen auf. In dem Vergiftungszustand des Katalysators vergrößert somit die erhöhte Temperatur der Brennstoffzellen, die höher als die ideale Betriebstemperatur ist, die Batterieleistung.
  • Wie vorstehend erwähnt, wenn eine Verminderung der Batterieleistung in dem Vergiftungszustand des Katalysators auf der Elektrode detektiert wird, kann die Regelung der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen auf eine vorbestimmte Temperatur, die höher als die ideale Betriebstemperatur ist, die Batterieleistung erhöhen.
  • Das Verfahren des Standes der Technik kann jedoch die Batterieleistung nicht zufriedenstellend erhöhen, wenn die Temperatur der Brennstoffzellen in dem Vergiftungszustand des Katalysators auf der Elektrode zu hoch ist. In dem Fall der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen beträgt die ideale Betriebstemperatur ungefähr 80ºC. In dem Stand der Technik werden die Brennstoffzellen demgemäß bei höheren Temperaturen Von 90ºC bis 95ºC betrieben. In dem Fall, daß die Brennstoffzellen in einem noch höheren Temperaturbereich betrieben werden, kann die Reaktionssubstanz in dem Gas, d. h. Wasserstoff an der Anode und Sauerstoff an der Kathode, der Reaktionsgrenzfläche jeder Elektrode, oder genauer ausgedrückt, der Oberfläche des Katalysators, nicht ausreichend zugeführt werden. Dies verhindert den stabilen Betrieb der Brennstoffzellen zum Erreichen einer hohen Leistung.
  • Es ist ferner aus der EP 0 692 835 bekannt, die Vergiftung eines Elektrokatalysators an einer Anode in einer Brennstoffzelle zu bestimmen. Wenn eine Vergiftung bestimmt ist, wird die Strömungsrichtung des Kühlwassers verändert, um zu gestatten, daß eine stelle mit stärkerer Vergiftung des Elektrokatalysators Kühlwasser mit einer relativ hohen Temperatur ausgesetzt wird.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hohe Ausgangsleistung der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellengenerator zu gewährleisten, indem eine zweckentsprechende Steuerung ausgeführt wird, selbst wenn ein auf einer Elektrode angeordneter Katalysator vergiftet ist.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellengenerator erfüllt, wie im Anspruch 1 definiert, und durch ein Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität aus Brennstoffzellen, wie im Anspruch 14 definiert. Weitere vorteilhafte Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Mindestens ein Teil der vorstehend erwähnten Aufgabe und andere damit im Zusammenhang stehende Ziele werden durch einen ersten Brennstoffzellengenerator realisiert, der Brennstoffzellen verwendet, welche eine Zuführmenge eines Reaktionsgases aufnehmen, das einer Elektrode mit einem darauf angeordneten Katalysator zugeführt wird, und durch eine chemische Reaktion des Reaktionsgases eine elektromotorische Kraft erzeugen. Der erste Brennstoffzellengenerator der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung zum Detektieren eines Leistungsrückgangs der Brennstoffzellen, eine Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung zum Detektieren eines Vergiftungszustands des Katalysators, eine Temperaturregelvorrichtung, die angepaßt ist, die Temperatur der Brennstoffzellen zu erhöhen, wenn die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung den Vergiftungszustand des Katalysators und die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung einen Leistungsrückgang der Brennstoffzellen detektiert, und eine Gasdruck-Regelvorrichtung, die angepaßt ist, den Druck des der Elektrode zugeführten Reaktionsgases als Reaktion auf die Temperaturregelung durch die Temperaturregelvorrichtung so zu regeln, daß der Partialdampfdruck des Reaktionsgases innerhalb eines vorbestimmten Bereiches gehalten wird.
  • Das Gleichgewicht der Adsorption und Freisetzung von Kohlenmonoxid auf und von der Oberfläche des Katalysators, der auf der Elektrode in den Brennstoffzellen angeordnet ist, wird in die Richtung der Freisetzung von Kohlenmonoxid verschoben, verbunden mit einer Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzellen. Dies bedeutet, daß die Adsorptionsmenge des Kohlenmonoxids mit einer Erhöhung der Temperatur der Brennstoffzellen abnimmt. Eine extrem hohe Temperatur der Brennstoffzellen erhöht andererseits den Partialdampfdruck in dem Gas und vermindert dadurch den Partialdruck des Gases. Dies führt zu einer unzureichenden Zuführung der Reaktionssubstanz, die das Reaktionsgas aufweist, zu der Reaktionsgrenzfläche der Elektrode, oder genauer ausgedrückt, zu der Oberfläche des Katalysators. Der erste Brennstoffzellengenerator der vorliegenden Erfindung erhöht die Temperatur der Brennstoffzellen, während der Teildampfdruck in dem Reaktionsgas innerhalb eines vorbestimmten Bereichs erhalten wird. Dieser Aufbau verkleinert die Adsorptionsmenge des Kohlenmonoxids auf dem Katalysator, der auf der Elektrode in den Brennstoffzellen angeordnet ist, während eine kontinuierliche Zuführung der Reaktionssubstanz in dem Reaktionsgas zu der Elektrode gesichert ist. Der Aufbau der vorliegenden Erfindung erhöht somit die Batterieleistung, wenn ein Leistungsrückgang der Batterie in dem Vergiftungszustand des Katalysators detektiert ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Anwendung weist der erste Brennstoffzellengenerator ferner auf: eine Gasausnutzungsverhältnis-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Gasausnutzungsgrads des Reaktionsgases in den Brennstoffzellen als ein Gasausnutzungsverhältnis und eine Verbotsvorrichtung für den Fall, wenn das durch die Gasausnutzungsverhältnis-Berechnungsvorrichtung berechnete Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck-Regelvorrichtung verboten werden.
  • Im allgemeinen wird unter der Bedingung des hohen Gasausnutzungsverhältnisses eine Verminderung der Batterieleistung beobachtet, welche im Zusammenhang mit einer Leistungsminderung infolge des vergifteten Katalysators vorliegen kann. Der Brennstoffzellengenerator dieses Aufbaus verbietet die Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck- Regelvorrichtung in dem Fall, daß das Gasausnutzungsverhältnis gleich einem vorbestimmten Wert ist oder größer als ein vorbestimmter Wert ist. Dieser Aufbau verhindert auf wirkungsvolle Weise die nicht notwendige Ausführung der Regelung auf der Grundlage der falschen Detektion des Leistungsrückgangs infolge des vergifteten Katalysators. Dies ermöglicht, dem Leistungsrückgang der Batterie infolge des vergifteten Katalysators mit hoher Genauigkeit entgegenzuwirken.
  • Gemäß einem anderen bevorzugten Aufbau weist der Brennstoffzellengenerator ferner auf: eine Impedanzmeßvorrichtung zum Messen einer Impedanz der Brennstoffzellen und eine Verbotsvorrichtung für den Fall, wenn die durch die Impedanzmeßvorrichtung gemessene Impedanz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist, Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck-Regelvorrichtung verboten werden.
  • Wenn im allgemeinen die Impedanz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist, ist die Elektrolytmembran entweder zu feucht oder zu trocken. Unter solchen Bedingungen wird eine Verringerung der Batterieleistung beobachtet, welche im Zusammenhang mit einer Verminderung der Leistung infolge des vergifteten Katalysators vorliegen kann. Der Brennstoffzellengenerator dieses Aufbaus verbietet die Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck-Regelvorrichtung in dem Fall, daß die Impedanz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist. Dieser Aufbau verhindert auf wirkungsvolle Weise die Ausführung der nicht erforderlichen Regelung auf der Grundlage der falschen Detektion des Leistungsrückgangs infolge des vergifteten Katalysators. Dies ermöglicht, dem Leistungsrückgang der Batterie infolge des vergifteten Katalysators mit hoher Genauigkeit entgegenzuwirken.
  • In dem ersten Brennstoffzellengenerator der vorliegenden Erfindung kann die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung aufweisen: eine Kohlenmonoxidkonzentration-Detektionsvorrichtung zum Beobachten einer Kohlenmonoxidkonzentration in dem Reaktionsgas und eine Vorrichtung zum Detektieren des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der beobachteten Kohlenmonoxidkonzentration.
  • Dieser Aufbau kann den Vergiftungszustand des Katalysators auf der Grundlage des Ergebnisses der Detektion der Kohlenmonoxidkonzentration-Detektionsvorrichtung detektieren.
  • In dem Brennstoffzellengenerator des vorstehend beschriebenen Aufbaus kann die Kohlenmonoxidkonzentration-Detektionsvorrichtung aufweisen: eine Elektrolytmembran, zwei Elektroden, die quer zu der Elektrolytmembran angeordnet sind und einen darauf angeordneten Katalysator aufweisen, eine Reaktionsgas-Zuführleitung zum Zuführen des Reaktionsgases zu einer der zwei Elektroden, eine Oxidationsgas = Zuführleitung zum Zuführen einer Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases zu der anderen der zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz-Meßvorrichtung zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden unter der Bedingung, daß eine vorbestimmte Last mit den zwei Elektroden verbunden ist, und eine Kohlenmonoxidkonzentration-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen der Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxids auf der Grundlage der durch die Potentialdifferenz-Meßvorrichtung gemessenen Potentialdifferenz.
  • Wenn in diesem Aufbau das Reaktionsgas durch die Reaktionsgas-Zuführleitung einer der zwei Elektroden zugeführt ist und das Oxidationsgas durch die Oxidationsgas-Zuführleitung der anderen der zwei Elektroden zugeführt ist, wird zwischen den zwei Elektroden über die Elektrolytmembran eine Potentialdifferenz erzeugt. Da die vorbestimmte Last zwischen den zwei Elektroden angeschlossen ist, vermindert das Vorliegen von Kohlenmonoxid in dem Reaktionsgas die Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden. Die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Reaktionsgas kann somit aus der beobachteten Potentialdifferenz berechnet werden. Auf diese Weise ermöglicht der einfache Aufbau die Detektion der Konzentration des Kohlenmonoxids.
  • Gemäß einem bevorzugten Aufbau weist der erste Brennstoffzellengenerator der vorliegenden Erfindung ferner auf: eine Reformiervorrichtung zum Reformieren von Methanol und zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases als das Reaktionsgas, das Wasserstoff enthält, eine Methanolkonzentration- Detektionsvorrichtung zum Beobachten einer Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols und eine Reformiervorrichtungsbetrieb-Steuervorrichtung, um dann, wenn die durch die Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung beobachtete Methanolkonzentration nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung einen Rückgang der Leistung der Brennstoffzellen detektiert, die Operation der Reformiervorrichtung zu steuern, wodurch die Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols verringert wird.
  • In dem Fall, daß eine Verminderung der Leistung der Brennstoffzellen detektiert wird, während die Konzentration des Methanols in dem durch die Reformiervorrichtung erzeugten Reaktionsgas gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, steuert dieser bevorzugte Aufbau die Operation der Reformiervorrichtung, um die Konzentration des Methanols in dem Reaktionsgas zu vermindern. Dieser Aufbau kann demzufolge die Leistung der Brennstoffzellen erhöhen, wenn die hohe Konzentration des Methanols in dem Reaktionsgas die verminderte Leistungsabgabe der Brennstoffzellen verursacht. Wenn der vergiftete Katalysator die verminderte Leistungsabgabe der Brennstoffzellen verursacht, kann der Brennstoffzellengenerator dieses Aufbaus ebenfalls die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen in derselben Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen ersten Brennstoffzellengenerator erhöhen. Dieser Aufbau führt die verminderte Leistungsabgabe der Brennstoffzellen entweder auf den vergifteten Katalysator oder auf die hohe Konzentration des Methanols in dem Reaktionsgas zurück und leitet eine erforderliche Maßnahme gemäß der Ursache ein, wodurch auf wirkungsvolle Weise die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen erhöht wird.
  • In dem Brennstoffzellengenerator dieses Aufbaus kann die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung aufweisen: eine Elektrolytmembran, zwei Elektroden, die quer zu der Elektrolytmembran angeordnet sind und auf denen ein Katalysator angeordnet ist, eine Reaktionsgas-Zuführleitung zum Zuführen einer Zuführmenge des Reaktionsgases zu einer der zwei Elektroden, eine Oxidationsgas-Zuführleitung zum Zuführen einer Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases zu der anderen der zwei Elektroden, eine Potentialdifferenz-Meßvorrichtung zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden und eine Lastumschaltvorrichtung zum Umschalten zwischen einem ersten Zustand, in welchem eine vorbestimmte Last zwischen den zwei Elektroden angeschlossen ist, und einem zweiten Zustand, in welchem die vorbestimmte Last von den zwei Elektroden getrennt ist. In diesem Aufbau weist die Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung eine Methanolkonzentration-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen der Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols auf der Grundlage der durch die. Potentialdifferenz- Meßvorrichtung in dem durch die Lastumschaltvorrichtung ausgewählten zweiten Zustand gemessenen Potentialdifferenz.
  • Wenn in diesem Aufbau das Reaktionsgas durch die Reaktionsgas-Zuführleitung zu einer der zwei Elektroden geleitet wird und das Oxidationsgas durch die Oxidationsgas-Zuführleitung zu der anderen der zwei Elektroden geleitet wird, erfolgt die Erzeugung einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden über die Elektrolytmembran. In diesem Moment wählt die Lastumschaltvorrichtung den zweiten Zustand aus, in welchem die vorbestimmte Last von den zwei Elektroden getrennt wird. Das Vorliegen von Methanol in dem Reaktionsgas vermindert die Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden. Die Konzentration des Methanols in dem Reaktionsgas kann somit aus der beobachteten Potentialdifferenz berechnet werden.
  • In dem Brennstoffzellengenerator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung ferner aufweisen: eine Kohlenmonoxidkonzentration-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen einer Konzentration von in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxid auf der Grundlage der Potentialdifferenz, die durch die Potentialdifferenz-Meßvorrichtung in dem durch die Lastumschaltvorrichtung ausgewählten ersten Zustand gemessen ist, und eine Vorrichtung zum Detektieren des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der berechneten Konzentration von Kohlenmonoxid.
  • Wenn in diesem Aufbau die Lastumschaltvorrichtung den ersten Zustand auswählt, in welchem die vorbestimmte Last zwischen den zwei Elektroden angeschlossen ist, vermindert das Vorliegen von Kohlenmonoxid in dem Reaktionsgas die Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden. Die Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Reaktionsgas kann somit aus der beobachteten Potentialdifferenz berechnet werden. Wenn die Lastumschaltvorrichtung den zweiten Zustand auswählt, in welchem die vorbestimmte Last von den zwei Elektroden getrennt ist, kann andererseits die Konzentration des Methanols in dem Reaktionsgas berechnet werden, wie vorstehend beschrieben ist. Das einfache Hinzufügen der Lastumschaltvorrichtung und der Methanolkonzentration-Berechnungsvorrichtung zu dem Aufbau zum Detektieren von Kohlenmonoxid ermöglicht die Detektion sowohl von Kohlenmonoxid als auch von Methanol. Dieser einfache Aufbau realisiert die Funktionen sowohl der Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung als auch der Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung.
  • In dem ersten Brennstoffzellengenerator der vorliegenden Erfindung können die Brennstoffzellen aufweisen: eine Elektrolytmembran; eine erste Elektrode, die in engem Kontakt mit einer Oberfläche der Elektrolytmembran als die Elektrode angeordnet ist, die eine Zuführmenge des Reaktionsgases aufnimmt, und eine zweite Elektrode, die in engem Kontakt mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist und eine Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen, oxidierenden Gases aufnimmt. In diesem Aufbau weist der Brennstoffzellengenerator ferner auf: eine Oxidationsgas-Druckregelvorrichtung zum Regeln des Drucks des der zweiten Elektrode zugeführten Oxidationsgases, wodurch ermöglicht wird, daß der Druck des Oxidationsgases und der Druck des Reaktionsgases, das der ersten Elektrode zugeführt wird, ein vorbestimmtes Verhältnis erfüllen.
  • Selbst wenn in diesem Aufbau die Gasdruck-Regelvorrichtung den Druck des Reaktionsgases verändert, ermöglicht die Oxidationsgas-Druckregelvorrichtung, daß der Druck des Reaktionsgases und der Druck des Oxidationsgases ein vorbestimmtes Verhältnis erfüllt. Der Brennstoffzellengenerator dieses Aufbaus kann unter den gewünschten Druckbedingungen des Reaktionsgases und des Oxidationsgases stabil betrieben werden.
  • In dem Brennstoffzellengenerator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann das vorbestimmte Verhältnis ermöglichen, daß der Druck des Oxidationsgases und der Druck des Reaktionsgases eine festgelegte Größenordnung einhalten. Dieser Aufbau gewährleistet den stabilen Betrieb des Brennstoffzellengenerators, da die Größenordnung in bezug auf den Druck des Reaktionsgases und den Druck des Oxidationsgases festgelegt ist.
  • In dem Brennstoffzellengenerator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann das vorbestimmte Verhältnis ermöglichen, daß eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidationsgases und dem Druck des Reaktionsgases nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist. Im allgemeinen erhöht eine große Druckdifferenz zwischen dem Reaktionsgas und dem Oxidationsgas den Druck, der an der Elektrolytmembran anliegt, und kann bewirken, daß die Elektrolytmembran zerstört wird. Dieser Aufbau erhält die Druckdifferenz innerhalb des Bereichs, der nicht größer als der vorbestimmte Wert ist, wodurch die Elektrolytmembran vor Beschädigung geschützt wird.
  • In dem Brennstoffzellengenerator mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann das vorbestimmte Verhältnis ermöglichen, daß eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidationsgases und dem Druck des Reaktionsgases konstant bleibt. Dieser Aufbau verhindert auch, daß die Elektrolytmembran durch die Druckdifferenz beschädigt wird.
  • Gemäß einem noch anderen bevorzugten Aufbau weist der Brennstoffzellengenerator ferner auf: eine Wiederherstellungsvorrichtung, um dann, wenn kein Leistungsrückgang der Brennstoffzellen durch die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung nach Ausführung der Druckregelung des Reaktionsgases durch die Gasdruck-Regelvorrichtung detektiert ist, die Temperatur der Brennstoffzellen auf eine nichtgeregelte Temperatur zurückgeführt wird, welche einen Wert vor der Erhöhung durch die Temperaturregelvorrichtung darstellt, und der Druck des Reaktionsgases auf einen ungeregelten Druck des Reaktionsgases zurückgeführt wird, welcher einen Wert vor der Regelung durch die Gasdruck-Regelvorrichtung darstellt.
  • Nachdem in diesem Aufbau die verminderte Batterieleistung infolge des vergifteten Katalysators wiederhergestellt ist, werden die geregelte Temperatur der Brennstoffzellen und der geregelte Druck des Reaktionsgases auf die ursprünglichen Werte zurückgeführt. Der Brennstoffzellengenerator kann somit unter der Bedingung der nichtgeregelten Brennstoffzellentemperatur und des nichtgeregelten Reaktionsgasdrucks betrieben werden, welche Werte vor der Verringerung der Ausgangsspannung darstellen, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein erstes Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mittels Brennstoffzellen gerichtet, welche eine Zuführmenge eines Reaktionsgases aufnehmen, das einer Elektrode mit einem darauf angeordneten Katalysator zugeführt wird, und durch eine chemische Reaktion des Reaktionsgases eine elektromotorische Kraft erzeugen.
  • Eine extrem hohe Temperatur der Brennstoffzellen erhöht den Teildampfdruck in dem Reaktionsgas und verhindert eine kontinuierliche Zuführung des Reaktionsgases zu der Oberfläche des Katalysators. Das erste Verfahren der vorliegenden Erfindung erhält jedoch den Teildampfdruck in dem Reaktionsgas innerhalb des vorbestimmten Bereichs, wodurch eine kontinuierliche Zuführung der Reaktionssubstanz in dem Reaktionsgas gesichert wird. Selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzellen höher als die ideale Betriebstemperatur ist, gewährleistet dieser Aufbau die hohe Leistung der Brennstoffzellen.
  • Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlich.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 1 als eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 zeigt einen Zelleneinheitaufbau eines Stapels von Brennstoffzellen 10,
  • Fig. 3 zeigt einen allgemeinen Aufbau des Stapels von Brennstoffzellen 10,
  • Fig. 4 zeigt eine Senkrechtschnittansicht eines Kohlenmonoxidsensors 30,
  • Fig. 5 zeigt ein Kurvenbild, bei dem die Potentialdifferenz über der Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxids, gemessen durch den Kohlenmonoxidsensor 30, aufgetragen ist,
  • Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zur Steuerung der Batterieleistung, die durch die CPU 38a einer elektronischen Steuereinheit 38 ausgeführt wird,
  • Fig. 7A zeigt ein Kurvenbild, bei dem der Druck des gasförmigen Brennstoffs über der Temperatur der Brennstoffzellen aufgetragen ist,
  • Fig. 7B zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zur Steuerung der Batterieleistung, welche die Abarbeitung zu dem Zeitpunkt der Wiederherstellung der Temperatur der Brennstoffzellen und des Drucks des gasförmigen Brennstoffs einschließt,
  • Fig. 8 zeigt ein Kurvenbild einer Strom-Spannung-Kennlinie der Zelleneinheit in dem Stapel von Brennstoffzellen 10 der ersten Ausführungsform,
  • Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 201 als eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 10 und 11 zeigen Ablaufdiagramme einer Routine zur Steuerung der Batterieleistung, die durch die CPU in der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird,
  • Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 301 als eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 13 und 14 zeigen Ablaufdiagramme einer Routine zur Steuerung der Batterieleistung, die durch die CPU in der dritten Ausführungsform ausgeführt wird,
  • Fig. 15 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 501 als eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 16 zeigt eine Senkrechtschnittansicht eines Kohlenmonoxidsensors 530 mit der elektronischen Steuereinheit 38,
  • Fig. 17 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Methanolkonzentration in dem Objektgas, gemessen durch den Kohlenmonoxidsensor 530 und der Leerlaufspannung OCV, gemessen mit einem Voltmeter 82,
  • Fig. 18 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Konzentration des Methanols in dem Objektgas, gemessen durch den Kohlenmonoxidsensor 530, und der Leerlaufspannung OCV, gemessen mit einem Voltmeter 82,
  • Fig. 19 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Lesen der Sensorausgaben, ausgeführt durch die CPU in der vierten Ausführungsform,
  • Fig. 20 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Hauptroutine, die durch die CPU in der vierten Ausführungsform ausgeführt wird,
  • Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 701 als eine fünfte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 22 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, welche durch die CPU in der fünften Ausführungsform ausgeführt wird,
  • Fig. 23 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen in der fünften Ausführungsform,
  • Fig. 24 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen von Pa und Pc, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen unter der Bedingung Pa > Pc,
  • Fig. 25 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen von Pa und Pc, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen unter der Bedingung Pa = Pc,
  • Fig. 26 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, welche durch die CPU in einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird,
  • Fig. 27 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen in der sechsten Ausführungsform,
  • Fig. 28 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, welche durch die CPU in einer siebenten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird,
  • Fig. 29 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen in der siebenten Ausführungsform,
  • Fig. 30 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, welche durch die CPU in einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird,
  • Fig. 31 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen in der achten Ausführungsform,
  • Fig. 32 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, welche durch die CPU in einer neunten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, und
  • Fig. 33 zeigt ein Kurvenbild zur Darstellung von Veränderungen des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Temperatur der Brennstoffzellen in der neunten Ausführungsform.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Zum besseren Verständnis der Strukturen und Funktionen der vorliegenden Erfindung werden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend als bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zur schematischen Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellengenerators 1 als eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellengenerator 1 weist auf: einen Stapel von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen 10 zum Erzeugen von Elektrizität, eine Reformiervorrichtung 16 zum Aufnehmen von Zuführmengen an Methanol und Wasser, zugeführt aus einem Methanolbehälter 12 und einem Wasserbehälter 14 und zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases, eine Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 zum Zuführen des wasserstoffreichen Gases, das durch die Reformiervorrichtung 16 als ein Gasbrennstoff erzeugt ist, zum dem Brennstoffzellenstapel 10, eine Gasbrennstoff-Austragleitung 18, um den Gasbrennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel 10 nach außerhalb auszutragen, und ein Rückdruck-Regelventil 19 zum Regeln der Öffnung der Gasbrennstoff-Austragleitung 18.
  • Der Brennstoffzellengenerator 1 weist ferner einen Umlaufpfad 22 zum Umlauf des Kühlwassers durch eine Kühlplatte 20, die in den Brennstoffzellenstapel 10 eingebaut ist, als auch eine Kühlwasserpumpe 24 und eine Kühlvorrichtung 26, die in dem Umlaufpfad 22 angeordnet sind.
  • Es gibt eine Vielzahl von Sensoren zum Detektieren der Betriebszustände der Brennstoffzellen. Solche Sensoren schließen ein: einen Kohlenmonoxidsensor 30, der in der Mitte der Gasbrennstoff-Austragleitung 18 zum Messen der Konzentration von Kohlenmonoxid in dem Gasbrennstoff angeordnet ist, ein Voltmeter 32 zum Messen der Spannung der elektrischen Signalausgaben vom Brennstoffzellenstapel 10, einen 34, bestehend aus einem Thermopaar zum Messen der Temperatur der Zelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel 10, und einen Drucksensor 36 zum Messen des Drucks des gasförmigen Brennstoffs. Der Brennstoffzellengenerator 1 weist auch eine elektronische Steuereinheit 38 auf, die mit solchen Sensoren elektrisch verbunden ist und eine Vielzahl von Steueroperationen ausführt.
  • Nachfolgend ist der Aufbau des Brennstoffzellenstapels 10 beschrieben. Der Brennstoffzellenstapel 10 besteht aus Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, wie vorstehend erwähnt ist, und jede Zelleneinheit weist den in Fig. 2 gezeigten Aufbau auf. Jede Zelleneinheit weist auf: eine Elektrolytmembran 41, eine Anode 42 und eine Kathode 43, welche Gasdiffusionselektroden sind, die entlang der Elektrolytmembran 41 angeordnet sind, um einen Sandwichaufbau 40 auszubilden, Trennvorrichtungen 44 und 45, welche außerhalb des Sandwichaufbaus 40 angeordnet sind und jeweils mit der Anode 42 und der Kathode 43 verbunden sind, um Strömungspfade des gasförmigen Brennstoffs und des sauerstoffhaltigen Gases auszubilden, und Kollektorplatten 46 und 47, welche weiter außerhalb der Trennvorrichtungen 44 und 45 angeordnet sind und als Stromkollektoren der Anode 42 und der Kathode 43 funktionswirksam sind.
  • Die Elektrolytmembran 41 ist eine Ionenaustauschermembran, die aus Polymermaterial besteht, wie z. B. Fluorharz, und in dem feuchten Zustand eine hohe elektrische Leitfähigkeit zeigt. Die Anode 42 und die Kathode 43 sind aus Kohlepapier, Kohlenschichtstoff oder Kohlegewebe hergestellt, wobei Kohlepulver mit einem Platinkatalysator darauf in den Zwischenräumen des Kohlepapiers, des Kohlenschichtstoffs oder des Kohlengewebes eingeschlossen ist.
  • Die Trennvorrichtungen 44 und 45 bestehen aus einer dichten Kohlenstoffplatte. Die Trennvorrichtung 44 weist eine Vielzahl von Rippen auf, die mit der Oberfläche der Anode 42 kombiniert sind, um Strömungspfade 44P des gasförmigen Brennstoffs zu definieren, wogegen die Trennvorrichtung 45 eine Vielzahl von Rippen aufweist, die mit der Oberfläche der Kathode 43 kombiniert sind, um Strömungspfade 45p des sauerstoffhaltigen Gases zu definieren. Die Kollektorplatten 46 und 47 sind aus einem guten Leitmaterial für Elektrizität hergestellt, wie z. B. Kupfer (Cu).
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 wird durch Stapeln einer Vielzahl von solchen Zelleneinheiten, wie vorstehend beschrieben, erhalten. Fig. 3 zeigt den allgemeinen Aufbau des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 ist eine Ansammlung einer Vielzahl von Stapeleinheiten U1 bis Un (n ist eine Ganzzahl nicht kleiner als 2 und z. B. gleich 100). Eine Stapeleinheit U1 ist in Fig. 3 gezeigt. Die Stapeleinheit U1 wird durch Stapeln einer Vielzahl von (in diesem Ausführungsbeispiel drei) der geschichteten Strukturen 40 mit der Elektrolytmembran 41, der Anode 42 und der Kathode 43 (siehe Fig. 2) aufeinander über Trennvorrichtungen 50 (und die Trennvorrichtungen 44 und 45, die in Fig. 2 gezeigt sind) erhalten. Die Trennvorrichtungen 50 sind aus demselben Material wie die Trennvorrichtungen 44 und 45 der in Fig. 2 gezeigten Zelleneinheit zusammengesetzt. Jede Trennvorrichtung 50 gelangt mit der Anode 42 in Kontakt, um Strömungspfade des gasförmigen Brennstoffs 44p zu definieren, und gelangt mit der Kathode 43 in Kontakt, um Strömungspfade des sauerstoffreichen Gases 45p zu definieren. In der Stapeleinheit U1 ist die Trennvorrichtung 44(in Fig. 2 gezeigt) zum Definieren nur der Strömungspfade des gasförmigen Brennstoffs 44p außerhalb eines am weitesten rechts angeordneten Sandwichaufbaus 40R angeordnet, wogegen die Trennvorrichtung 45 (in Fig. 2 gezeigt) zum Definieren nur der Strömungspfade des sauerstoffhaltigen Gases 45p außerhalb eines am weitesten links angeordneten Sandwichaufbaus 40L angeordnet ist.
  • Die anderen Stapeleinheiten U2 bis Un weisen denselben Aufbau wie die vorstehend beschriebene Stapeleinheit U1 auf. Diese n Stapeleinheiten U1 bis Un sind über die vorstehend mit der Figur. 1 beschriebenen Kühlplatten 20 in Reihe verbunden. Die Kühlplatten 20 sind ebenfalls außerhalb der beiden Enden der n Stapeleinheiten U1 bis Un angeordnet, und die Kollektorplatten 46 und 47 (vorstehend beschrieben) sind weiter außerhalb der Kühlplatten 20 angeordnet. Der gesamte Aufbau ist zwischen Endplatten 56 und 57 über Isolierplatten 54 und 55 angeordnet und mit Befestigungsschrauben 58 befestigt.
  • Jede Kühlplatte 20 weist innere Strömungskanäle auf, durch welche das Kühlwasser fließt. Punkt A in der Nähe einer Verbindung der Strömungskanäle, die mit einer Seite der jeweiligen Kühlplatten 20 und Punkt B in der Nähe der anderen Verbindung der Strömungskanäle verbunden sind, die mit den anderen Seiten der jeweiligen Kühlplatten 20 verbunden sind, sind mit dem Umlaufpfad 22 (siehe Fig. 1) verbunden, um ein Kühlwassersystem auszubilden.
  • Die Einläufe der Strömungskanäle des gasförmigen Brennstoffs 44p in den jeweiligen Zelleneinheiten in dem Brennstoffzellenstapel 10 sind über eine Rohrverzweigung (durch die Strich-Punkt-Punkt-Kettenlinie in Fig. 3 gezeigt) mit der Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 verbunden. Die Auslässe der Strömungskanäle des gasförmigen Brennstoffs 44p in den jeweiligen Zelleneinheiten in dem Brennstoffzellenstapel 10 sind über eine Rohrverzweigung (durch die Strich-Punkt- Punkt-Kettenlinie in Fig. 3 gezeigt) mit der Gasbrennstoff- Austragleitung 18 verbunden.
  • Der Drucksensor 36 ist in dem Strömungspfad angeordnet, der mit den Strömungspfaden des gasförmigen Brennstoffs 44p in einer vorbestimmten Zelleneinheit der Stapeleinheit U1 verbunden ist, wogegen der Temperatursensor 34 ebenfalls mit der vorbestimmten Zelleneinheit verbunden ist.
  • Nachfolgend wird der Aufbau des Kohlenmonoxidsensors 30 auf der Grundlage der Senkrechtschnittansicht der Fig. 4 beschrieben. Der Kohlenmonoxidsensor 30 weist auf: eine Elektrolytmembran 60, zwei Elektroden 62 und 64, die entlang der Elektrolytmembran 60 angeordnet sind, um, einen geschichteten Aufbau auszubilden, zwei Metallgitterplatten 66 und 68, die entlang dem geschichteten Aufbau angeordnet sind, um die Durchbiegung des geschichteten Aufbaus zu verhindern, zwei Haltevorrichtungen 70 und 72 zum festen Anordnen des geschichteten Aufbaus und Metallplatten 66 und 68 sowie ein Isolierelement 74 zum Verbinden der Haltevorrichtungen 70 und 72 miteinander in einem elektrisch isolierenden Zustand.
  • Die Elektrolytmembran 60 ist eine protonenleitende Membran, die aus einem Polymer-Elektrolyt-Material besteht, wie z. B. ein Fluorharz. Die Elektroden 62 und 64 sind aus einem Elektrodengrundmaterial hergestellt, wie z. B. Kohlepapier, Kohleschichtstoff oder Kohlegewebe, wobei Kohlepulver mit einem darauf angeordneten Platinkatalysator in den Zwischenräumen des Elektrodengrundmaterials angeordnet ist. Die Elektrolytmembran 60 wird mit den Elektroden 62 und 64 gemäß einem der folgenden Verfahren verbunden:
  • (1) Auftragen eines Katalysatorpulvers, welches vorhergehend beschichtet ist, indem Platin, das auf die Oberfläche des Kohlepulvers aufgetragen ist, auf die Oberfläche der Elektrodengrundkörper (Kohlegewebe oder Kohlepapier) aufgetragen wird, und einstückiges Verbinden der Elektrolytmembran 60 mit den Elektrodengrundkörpern durch Heißpressen.
  • (2) Auftragen eines Katalysatorpulvers, welches vorhergehend beschichtet ist, indem Platin, das auf die Oberfläche des Kohlepulvers aufgetragen ist, auf die Oberfläche der Elektrodengrundkörper und Verbinden der Elektrolytmembran 60 mit den Elektrodengrundkörpern durch eine protonenaktive Polymer-Elektrolyt-Lösung, und
  • (3) Dispergieren eines Katalysatorpulvers, welches vorhergehend beschichtet ist, indem Platin, das auf die Oberfläche des Kohlepulvers aufgetragen ist, in einem geeigneten organischen Lösungsmittel zu einer Paste, Auftragen der Paste auf die Oberfläche der Elektrolytmembran 60, z. B. durch Siebdruck, und einstückiges Verbinden der Elektrolytmembran 60 mit den Elektrodengrundkörpern durch Heißpressen.
  • Das Kohlepulver mit dem darauf angeordneten Platinkatalysator wird in der folgenden Weise hergestellt. Eine wäßrige Lösung von Chlorplatinsäure wird mit Natriumthiosulfat vermischt, um eine wäßrige Lösung eines Platinsulfitkomplexes zu erhalten. Wasserstoffperoxid wird der wäßrigen Lösung des Platinsulfitkomplexes tropfenweise unter Rühren hinzugefügt, so daß kolloidale Platinteilchen in der wäßrigen Lösung abgeschieden werden. Ruß, der als ein Trägerstoff wirkt, wird dann unter Rühren der wäßrigen Lösung zugefügt, so daß sich die kolloidalen Platinteilchen an die Oberfläche des Rußes anheften. Beispiele des verfügbaren Rußes schließen VULCAN XC-72 (Handelsname der CABOT Corp., USA) und DENKA BLACK (Handelsname der DENKI KAGAKU KOGYO K.K.) ein. Der Ruß mit daran anhaftenden Platinteilchen wird durch Filterung unter reduziertem Druck oder durch Druckfiltration der wäßrigen Lösung abgetrennt, wiederholt mit entionisiertem Wasser gewaschen und bei Raumtemperatur vollständig getrocknet. Das getrocknete Rußaggregat wird in einer Mühle gemahlen und in einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre bei 250ºC bis 350 ºC für ungefähr 2 Stunden im Hinblick auf das Reduzieren von Platin auf dem Ruß und die vollständige Entfernung des restlichen Chlors erhitzt.
  • Das Katalysatorpulver in den Elektroden 42 und 43 des Brennstoffzellenstapels 10 wird ebenfalls auf die vorstehend beschriebene Weise hergestellt.
  • Die Metallgitterplatten 66 und 68 weisen den Aufbau auf, der es ermöglicht, daß Gase in die Elektroden 62 und 64 einströmen. Bevorzugte Materialien für die Metallgitterplatten 66 und 68 mit hervorragender elektrischen Leitvermögen, hoher Rostbeständigkeit, die zu keiner Wasserstoffsprödigkeit führen, sind z. B. Titan und rostfreier Stahl. Ein anderes Beispiel für die Metallplatten 66 und 68 können Kupfergitterplatten sein, deren Oberfläche mit einem Metall (z. B. plattiert) beschichtet sein kann, wie z. B. Gold, Platin oder Titan. Solange die geforderten Eigenschaften, einschließlich hervorragende elektrische Leitfähigkeit, erfüllt sind, sind poröse Kohleplatten, geschäumte Nickelplatten und Konstruktionskunststoffe, deren Oberfläche z. B. mit einem Metall, wie z. B. Gold, Platin oder Titan, beschichtet (z. B. plattiert) ist, ebenfalls als die Metallplatten 66 und 68 anwendbar.
  • Die Haltevorrichtungen 70 und 72 weisen jeweils Flansche 70a und 72b auf, die von den zylinderförmigen Haltestrukturen 70 und 72 nach innen vorstehen. Die Elektrolytmembran 60, das Paar von Elektroden 62 und 64 und die Metallgitterplatten 66 und 68 werden durch diese Flansche 70a und 72b der Haltevorrichtungen 70 und 72 getragen. Ein bevorzugtes Material für die Haltevorrichtungen 70 und 72 weist ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit und gute Rostbeständigkeit sowie keine Wasserstoffbrüchigkeit auf, wie z. B. Titan und rostfreier Stahl. Als anderes Beispiel können die Haltevorrichtungen 70 und 72 Kupferplatten sein, deren Oberfläche z. B. mit einem Metall, wie z. B. Gold, Platin oder Titan, beschichtet (z. B. plattiert) ist. Solange die erforderlichen Eigenschaften, einschließlich der hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit, erfüllt sind, können dichte Kohleplatten und Konstruktionskunststoffe, deren Oberfläche mit einem Metall, z. B. Gold, Platin oder Titan, beschichtet (z. B. plattiert) ist, ebenfalls als die Haltevorrichtungen 70 und 72 verwendet werden.
  • Die Haltevorrichtung 72 ist mit einem 0-Ring 76 versehen, welcher mit der Elektrolytmembran 60 in Kontakt gelangt und verhindert, daß eine Atmosphäre einer Elektrode zu der anderen Elektrode austritt. Ein anderer Aufbau zur Sicherstellung der Dichteigenschaften kann auch anstelle des 0-Rings 76 verwendet werden, z. B. ein Endabschnitt der Elektrolytmembran 60 wird mit der Haltevorrichtung 76 durch einen Klebstoff oder mittels Wärmekontaktverbindung verbunden.
  • Die Haltevorrichtungen 70 und 72 weisen jeweils auf deren Umfang Außengewinde 70b und 72b auf, welche mit Innengewinden 74a und 74b, die in dem Isolierelement 74 erzeugt sind, gewindegängig im Eingriff sind. Der Eingriff der Schraubgewinde 70b, 72b und 74a, 74b ermöglicht die Verbindung der Haltevorrichtungen 70 und 72 miteinander und trägt den Schichtaufbau Elektrode 62-Elektrolytmembran 60-Elektrode 64 dazwischen. Ein bevorzugtes Material für das Isolierelement 74 ist z. B. Polytetrafluorethylen (Handelsname: TEFLON).
  • Der Kohlenmonoxidsensor 30 weist ferner eine Gaseinlaufleitung 78 auf, die mit einer Haltevorrichtung 70 über Schraubverbindungen verbunden ist. Die Gaseinlaufleitung 78 leitet einen Gasbrennstoff oder ein Objektgas, das zu detektieren ist, in die Elektrode 62 ein und ist aus einem Isoliermaterial aufgebaut. Die andere Haltevorrichtung 72 ist mit keiner speziellen Gasleitung verbunden, sondern die Elektrode 64 liegt zu der Atmosphäre frei.
  • Der Kohlenmonoxidsensor 30 ist auch mit einer Schaltung 80 versehen, welche Detektionsanschlüsse 70T und 72T der Haltevorrichtungen 70 und 72 miteinander elektrisch verbindet. Die Schaltung 80 weist ein Voltmeter 82 auf, einen Widerstand 84 zum Einstellen des Laststroms, welcher zwischen den Detektionsanschlüssen 70T und 72T parallel angeordnet ist. Der Anschluß des Voltmeters 82 ist so vorgesehen, daß negative Polarität an dem Detektionsanschluß 70T der Haltevorrichtung 70 auf der Seite der Elektrode 62, die dem Gasbrennstoff ausgesetzt ist, vorliegt und positive Polarität an dem Detektionsanschluß 72T der Haltevorrichtung 72 auf der Seite der Elektrode 64 vorliegt, die der Atmosphäre ausgesetzt ist. Signale des Voltmeters 82 werden an ein externes Steuersystem ausgegeben.
  • Der auf diese Weise aufgebaute Kohlenmonoxidsensor 30 ist an einer Abzweigöffnung 17a der Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 über Schraubverbindungen angeschlossen. Der Kohlenmonoxidsensor 30 wird verwendet, um die Konzentration des Kohlenmonoxids (CO) in einer Zuführmenge des gasförmigen Brennstoffs zu messen, die den Brennstoffzellen (in Fig. 4 nicht gezeigt) zugeführt wird.
  • Die folgende Beschreibung betrifft den Prozeß zum Messen des Kohlenmonoxids, das in dem wasserstoffreichen Gas (das ist der Gasbrennstoff oder das Objektgas, das zu detektieren ist) enthalten ist, mit dem Kohlenmonoxidsensor 30. Eine Zuführmenge des gasförmigen Wasserstoffs in dem wasserstoffreich Gas wird der Elektrode 62 des Kohlenmonoxidsensors 30 zugeführt, während eine Zuführmenge Sauerstoff, die in der Atmosphäre vorliegt, der Anode 64 zugeführt wird. Reaktionen, die durch nachstehend angegebene Gleichungen ausgedrückt werden, laufen demgemäß auf der Oberfläche der Elektroden 62 und 64 entlang der Membrane 60 ab:
  • H&sub2; → 2H&spplus; + 2e&supmin; (1)
  • 2H&spplus; → 2e&supmin; + (1/2) O&sub2; → H&sub2;O (2)
  • Diese Reaktionen sind mit den in den Brennstoffzellen ablaufenden übereinstimmend, welche Wasserstoff und Sauerstoff als Brennstoffe aufnehmen und elektrische Energie erzeugen. Eine elektromotorische Kraft wird somit zwischen den Elektroden 62 und 64 erzeugt. Da der Widerstand 84 zwischen den Elektroden 62 und 64 in dieser Ausführungsform angeschlossen ist, mißt das Voltmeter 82 die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 62 und 64, wenn ein vorbestimmter elektrischer Strom bei einer vorbestimmten Last, die zwischen den Elektroden 62 und 64 angeschlossen ist, durch die Schaltung fließt. Die Potentialdifferenz nimmt mit einer Erhöhung der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Objektgas ab. Diese Erscheinung wird den folgenden Gründen zugeschrieben.
  • Die Reaktion, die durch die vorstehend angegebene Gleichung (1) ausgedrückt wird, läuft an der Elektrode 62 ab, in welcher das Kohlepulver mit dem darauf angeordneten Platinkatalysator vorliegt. Kohlenmonoxid in dem Objektgas wird durch den Katalysator adsorbiert und beeinflußt die katalytische Wirkung nachteilig, d. h. Kohlenmonoxid vergiftet den Katalysator. Der Grad der Vergiftung ist groß bei der hohen Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Objektgas und klein für die niedrige Konzentration des Kohlenmonoxids. Die Potentialdifferenz zwischen den Detektionsanschlüssen 70T und 72T wird gemessen, während die Reaktionen, die durch die Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden, an den Elektroden 62 und 64 kontinuierlich ablaufen. In diesem Zustand spiegelt die Potentialdifferenz die Konzentration des Kohlenmonoxids wider, das in dem Objektgas enthalten ist, und die Messung der Potentialdifferenz bestimmt die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Objektgas. Die Verbindung des einen Detektionsanschlusses 70T mit dem anderen Detektionsanschluß 72T über den Widerstand 84 ermöglicht, daß die. Reaktionen der Gleichungen (1) und (2) an den Elektroden 62 und 64 kontinuierlich ablaufen. Unter solchen Bedingungen wird die Potentialdifferenz zwischen den Detektionsanschlüssen 70T und 72T gemessen.
  • Die Beziehung zwischen der Konzentration des Kohlenmonoxids und der Messung des Voltmeters 82 wird vorhergehend mit Gasen bekannter Konzentrationen des Kohlenmonoxids bestimmt. Die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Objektgas wird dann gemäß dieser Beziehung bestimmt. Gemäß einem konkreten Prozeß wird ein Kennfeld B, das die Beziehung zwischen der Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Objektgas und der Potentialdifferenz, die durch das Voltmeter 82 gemessen ist, z. B. ein in Fig. 5 gezeigtes Kennfeld, im voraus in einem ROM der elektronischen Steuereinheit 38 (siehe Fig. 1) gespeichert. Die elektronische Steuereinheit 38 nimmt Bezug auf das Kennfeld B und führt arithmetische und logische Operationen aus, um die Konzentration des Kohlenmonoxids zu bestimmen. Das Vorliegen von Wasserstoff beeinträchtigt nicht die Empfindlichkeit der Detektion bei der Messung der Konzentration des Kohlenmonoxids. Die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem wasserstoffreichen Objektgas oder dem Gasbrennstoff, das den Brennstoffzellen zugeführt ist, kann somit mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Die in Fig. 1 gezeigte elektronische Steuereinheit 38 ist als eine mikrocomputerbasierte arithmetische und logische Schaltung aufgebaut. Die elektronische Steuereinheit 38 weist auf: eine CPU 38a, die vorbestimmte arithmetische und logische Operationen gemäß vorbestimmten Steuerprogrammen ausführt, einen ROM 38b, in welchem Steuerprogramme und Steuerdaten, die für die arithmetischen und logischen Operationen, die durch die CPU 38 ausgeführt werden, im voraus gespeichert sind, einen RAM 38c, welcher eine Vielzahl von Daten, die für die arithmetischen und logischen Operationen, die durch die CPU 38a ausgeführt werden, zeitweilig eingeschrieben und daraus gelesen werden, eine Eingabeverarbeitungsschaltung 38d zum Aufnehmen von Ausgangssignalen vom Kohlenmonoxidsensor 30 und dem Voltmeter 32 und eine Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e zum Ausgeben von Steuersignalen an das Rückdruck-Regelventil 19 auf der Grundlage der Ergebnisse der durch die CPU 38a ausgeführten Operationen.
  • In den Zeichnungen der Fig. 1 bis 3 ist nur das System mit Gasbrennstoff auf der Seite der Anode gezeigt, während das System des sauerstoffhaltigen Gases auf der Seite der Kathode ausgelassen ist.
  • Die auf diese Weise aufgebaute elektronische Steuereinheit 38 gleicht die Stellung des Rückdruck-Regelventils 19 ab und verändert dadurch die Durchflußmenge des gasförmigen Brennstoffs, der durch die Strömungspfade 44p in dem Brennstoffzellenstapel 10 strömt, um die Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 zu regeln.
  • Die elektronische Steuereinheit 38 führt eine Routine zur Leistungssteuerung der Batterie aus, wie in dem Ablaufdiagramm der Fig. 6 gezeigt ist. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt, nachdem der Brennstoffzellenstapel 10 aktiviert ist. Wenn das Programm in die in Fig. 6 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a zuerst eine Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10, die durch das Voltmeter 32 im Schritt S100 gemessen ist, und eine Ausgangsspannung des Kohlenmonoxidsensors 30 als eine Konzentration D des Kohlenmonoxids im Schritt S110. Die CPU 38a liest dann eine Temperatur T der vorbestimmten Zelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel 10 (nachstehend als die Brennstoffzellentemperatur bezeichnet), die durch den Temperatursensor 34 im Schritt S120 gemessen ist, und einen Druck P des gasförmigen Brennstoffs (nachstehend als der Brenngasdruck bezeichnet), der durch den Drucksensor 36 im Schritt 5130 gemessen ist.
  • Die CPU 38a subtrahiert anschließend eine zurückliegende Ausgangsspannung E', die in einem vorhergehenden Zyklus dieser Steuerroutine gelesen ist, von der gegenwärtigen Ausgangsspannung E, die im Schritt S100 gelesen ist, um eine Differenz ΔE zu berechnen, und vergleicht die Differenz ΔE mit einer vorbestimmten Spannung -E0 (E0 > 0) im Schritt 5140. Das Vergleichsergebnis bestimmt, ob die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen um die Änderungsmenge vermindert ist oder nicht, die nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist. Wenn die Differenz ΔE nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung -E0 im Schritt S140 ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen nicht um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, geht das Programm zum RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Wenn die Differenz ΔE kleiner als die vorbestimmte Spannung -E0 im Schritt S140 ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen um die Änderungsmenge Vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, geht das Programm andererseits weiter zum Schritt S150. Die CPU 38a vergleicht die Konzentration D des Kohlenmonoxids, die im Schritt S110 gelesen ist, mit einer vorbestimmten Konzentration D0, um im Schritt S150 zu bestimmen, ob der Katalysator auf der Anode 42 vergiftet ist oder nicht.
  • Wenn der Katalysator im Schritt S150 als vergiftet bestimmt ist, addiert die CPU 38a einen vorbestimmten kleinen Wert ΔT (> 0) zu der Brennstoffzellentemperatur T, die im Schritt 5120 gelesen ist, um im Schritt S160 eine Sollbrennstoffzellentemperatur tT zu berechnen. Die CPU 38a liest dann in dem Schritt S170 einen Sollgasdruck tP entsprechend der Sollbrennstoffzellentemperatur tT aus einem Kennfeld A, das vorhergehend in dem ROM 38b gespeichert ist. Das Kennfeld A ist eine Kurve, die durch die Brennstoffzellentemperatur und den Druck des gasförmigen Brennstoffs (kann nachstehend als der Brenngasdruck bezeichnet sein) definiert ist, wie in Fig. 7A gezeigt ist. Die Brennstoffzellentemperatur und der Brenngasdruck betragen jeweils 80ºC und 1,5 atm (152 kPa) in einem idealen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10. Diese Werte sind als Standardbedingungen eingestellt. Die Kurve, die im voraus experimentell erhalten wurde, stellt den Druck des gasförmigen Brennstoffs, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur, dar, während der Partialdampfdruck des gasförmigen Brennstoffs unter der Standardbedingung unverändert erhalten wird. Im Schritt S170 nimmt die CPU 38a Bezug auf das Kennfeld B und liest den Sollgasdruck tP des gasförmigen Brennstoffs, der ermöglicht, den vorbestimmten Teildampfdruck bei der im Schritt S160 berechneten Sollbrennstoffzellentemperatur tT konstant zu erhalten.
  • Im nachfolgenden Schritt S180 erhöht die CPU 38a die Brennstoffzellen-Isttemperatur auf die Sollbrennstoffzellentemperatur tT, die im Schritt S160 berechnet ist. Gemäß einem konkreten Prozeß treibt die CPU 38a die Kühlwasserpumpe 24 in dem Kühlwassersystem an, wenn die Brennstoffzellen-Isttemperatur die Sollbrennstoffzellentemperatur tT übersteigt, und hält die Kühlwasserpumpe 24 an, wenn die Brennstoffzellen-Isttemperatur niedriger ist als die Sollbrennstoffzellentemperatur tT, wodurch die Brennstoffzellen-Isttemperatur auf die Sollbrennstoffzellentemperatur tP geregelt wird. Das Programm geht weiter zum Schritt S190, in welchem die CPU 38a den Istgasdruck des gasförmigen Brennstoffs erhöht, welcher der Anode 42 zugeführt wird, auf den Sollgasdruck tP, der im Schritt S170 erhalten ist. Gemäß einem konkreten Prozeß berechnet die CPU 38a eine Differenz zwischen dem Istgasdruck P, der im Schritt S130 gelesen ist, und dem Sollgasdruck tP und reguliert die Stellung des Rückdruck-Regelventils 19 in der Schließrichtung um eine Menge, die der berechneten Differenz entspricht, wodurch der Istgasdruck P in der Gasbrennstoff-Austragleitung 18 auf den Sollgasdruck tP geregelt wird. Obgleich die Prozesse der Schritte 51% und S190 zur Vereinfachung der Darstellung als separate Schritte gezeigt sind, werden diese Schritte in dem gegenwärtigen Zustand gleichzeitig ausgeführt.
  • Die CPU 38a geht dann zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine. Wie vorstehend erwähnt, wird diese Batterieausgangsleistung-Steuerroutine in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt ausgeführt. Die wiederholte Ausführung der Schritte 5180 und S190 ermöglicht, sowohl die Brennstoffzellentemperatur als auch den Druck des gasförmigen Brennstoffs entlang der in dem Kurvenbild der Fig. 7A gezeigten Kurve zu erhöhen.
  • Wenn der Katalysator auf der Anode 42 im Schritt S150 bestimmt ist, nicht vergiftet zu sein, steuert die CPU 38a andererseits die Brennstoffzellentemperatur auf die ideale Betriebstemperatur 80ºC im Schritt S192. Das Programm geht dann zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • In dem Fall, daß die verminderte Ausgangsspannung E nach der Ausführung der Schritte S180 und S190 wiederhergestellt ist, vermindert der Prozeß allmählich die erhöhte Brennstoffzellentemperatur und den erhöhten Brenngasdruck auf die ursprünglichen Werte. Ein konkreter Aufbau dieses Prozesses ist in dem Ablaufdiagramm der Fig. 7B gezeigt. Dieselben Schrittnummern sind den Schritten in Fig. 7B zugeordnet, die mit denen in Fig. 6 übereinstimmend sind. In dem Fall, daß die Antwort in beiden Schritten S140 und S150 nach der Ausführung der Schritte S100 bis S130 in Fig. 6 zustimmend ist, bestimmt die CPU 38a im Schritt S512, ob ein Anzeiger FLAG gleich Null ist oder nicht. Der Anzeiger FLAG wird anfänglich auf Null eingestellt, welcher den Zustand unmittelbar nach einem Umschalten auf die zustimmenden Antworten in den Schritten S140 und S150 darstellt. In dem Fall, daß der Anzeiger FLAG in dem Schritt S152 gleich Null ist, bestimmt das Programm, daß der gegenwärtige Zustand unmittelbar nach dem Umschalten zu den zustimmenden Antworten ist, und speichert die Brennstoffzellentemperatur T und den Brenngasdruck P in dem Augenblick in dem RAM 38e als eine nichtgeregelte Brennstoffzellentemperatur T0 und einen nichtgeregelten Brenngasdruck P0 im Schritt S154. Das Programm setzt dann den Anzeiger FLAG im Schritt S156 gleich 1 und geht weiter zum Schritt S160. In dem Fall, daß der Anzeiger FLAG im Schritt S152 nicht gleich Null ist, überspringt das Programm andererseits die Abarbeitung der Schritte S154 und S156 und geht direkt zum Schritt S160.
  • Wenn die Antwort im Schritt S140 verneinend ist, geht das Programm zum Schritt S142, um zu bestimmen, ob der Anzeiger FLAG gleich 1 ist oder nicht. In dem Fall, daß der Anzeiger FLAG im Schritt S142 gleich 1 ist, vermindert die CPU 38a im Schritt S144 allmählich die Brennstoffzellentemperatur T und den Brenngasdruck P auf die nichtgeregelte Brennstoffzellentemperatur T0 und den nichtgeregelten Brenngasdruck P0. Das Programm stellt anschließend im Schritt S146 den Anzeiger FLAG gleich Null ein und geht zu RÜCKSPRUNG. In dem Fall, daß der Anzeiger FLAG im Schritt S142 nicht gleich 1 ist, überspringt das Programm im Gegensatz dazu die Abarbeitung der Schritte S144 und S146 und geht direkt zu RÜCKSPRUNG.
  • Wenn die verringerte Ausgangsspannung E durch die Regeloperationen der Brennstoffzellentemperatur und des Brenngasdrucks wiederhergestellt ist, regeneriert die in dem Ablaufdiagramm der Fig. 7B gezeigte Batterieausgangsleistung- Steuerroutine die Brennstoffzellentemperatur T und den Brenngasdruck P als nichtgeregelte Brennstoffzellentemperatur T0 und nichtgeregelten Brenngasdruck P0.
  • Wie vorstehend beschrieben, erhöht der Brennstoffzellengenerator 1 der ersten Ausführungsform allmählich die Brennstoffzellentemperatur, wenn die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 um die Änderungsmenge abgesunken ist, die nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist und der Katalysator an der Anode 42 vergiftet ist. In diesem Zustand erhöht der Brennstoffzellengenerator 1 auch allmählich den Druck des gasförmigen Brennstoffs, um den Teildampfdruck in dem gasförmigen Brennstoff auf einem konstanten Wert zu erhalten, selbst unter der Bedingung der erhöhten Brennstoffzellentemperatur.
  • Die Steuerung der Brennstoffzellentemperatur auf die höheren Werte vermindert die Adsorptionsmenge des Kohlenmonoxids an den Anoden 42 in den Brennstoffzellen. Da der Teildampfdruck in dem gasförmigen Brennstoff konstant erhalten wird, unabhängig von der erhöhten Brennstoffzellentemperatur, kann in dem gasförmigen Brennstoff enthaltener Wasserstoff dem Katalysator auf der Anode 42 kontinuierlich zugeführt werden. Wenn die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 um die Änderungsmenge vermindert ist, die nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, und der Katalysator auf der Anode 42 vergiftet ist, ermöglicht der Aufbau der ersten Ausführungsform die wirkungsvolle Wiederherstellung der Ausgangsspannung E.
  • Das Kurvenbild der Fig. 8 zeigt eine Strom-Spannung-Kennlinie der Zelleneinheit in dem Brennstoffzellenstapel 10 der ersten Ausführungsform. Die Kurve stellt eine Auswertung dar, wenn die Brennstoffzellentemperatur auf 100ºC geregelt ist (der Gasdruck wird ebenfalls gemäß der Brennstoffzellentemperatur geregelt), während die Konzentration des in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxids 100 ppm beträgt. Im Vergleich mit der Kennlinie der Brennstoffzellen, die durch die Strich-Punkt-Kettenlinie und als ein Vergleichsbeispiel gezeigt ist, weist die Kennlinie der Zelleneinheit der ersten Ausführungsform, die durch die Vollinie gezeigt ist, ausgezeichnete Ergebnisse über den gesamten Meßbereich der Stromdichte auf. Das Vergleichsbeispiel stellt einen Aufbau des Stands der Technik dar, der nur dei Brennstoffzellentemperatur erhöht, während der Druck des gasförmigen Brennstoffs nicht geregelt wird, im Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Die Ergebnisse des Vergleichs zeigen auch, daß die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 wirkungsvoll wiederhergestellt wird, wenn der Katalysator vergiftet ist.
  • In dem Fall, daß die verminderte Ausgangsspannung E wiederhergestellt ist, stellt der Aufbau der ersten Ausführungsform allmählich die Brennstoffzellentemperatur und den Brenngasdruck auf die ursprünglichen Werte ein. Dies ermöglicht, den Brennstoffzellenstapel 10 mit einer gewünschten Ausgangsspannung E unter den Bedingungen der ursprünglichen Brennstoffzellentemperatur und des ursprünglichen Brenngasdrucks zu betreiben, die Werte vor dem Rückgang der Ausgangsspannung E sind.
  • Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines anderen Brennstoffzellengenerators 201 als eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Brennstoffzellengenerator 201 der zweiten Ausführungsform weist alle Komponenten des Brennstoffzellengenerators 1 der ersten Ausführungsform auf, wobei die gleichen Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen. Der Brennstoffzellengenerator 201 weist ferner eine Gasdurchflußmengen-Meßvorrichtung 231 auf, die in der Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 angeordnet ist, welche die Reformiervorrichtung 16 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 zum Messen der Einlaßmenge des gasförmigen Brennstoffs in den Brennstoffzellenstapel 10 und ein Amperemeter 233, das mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, um den vom Brennstoffzellenstapel 10 abgegebenen elektrischen Strom zu messen.
  • Die Gasdurchflußmengen-Meßvorrichtung 231 und das Amperemeter 233 sind mit der Eingabeverarbeitungsschaltung 38d der elektronischen Steuereinheit 38 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 38 nimmt Detektionssignale von den verschiedenen Sensoren auf, einschließlich dieser Sensoren 231 und 233, und reguliert die Stellung des Rückdruck-Regelventils 19 als Reaktion auf die eingegebenen Detektionssignale, wodurch die Durchflußmenge des gasförmigen Brennstoffs, der durch die Strömungspfade 44p in den Brennstoffzellenstapel 19 fließt, um die Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 zu steuern.
  • Die elektronische Steuereinheit 38 führt eine Routine zum Steuern der Batterieausgangsleistung aus, wie in den Ablaufdiagrammen der Fig. 10 und 11 gezeigt ist. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt ausgeführt, z. B. alle 100 ms. Wenn das Programm in die Routine der Fig. 10 eintritt, führt die CPU 38a zuerst die Abarbeitung der Schritte S300 bis S340 aus, welche mit der Abarbeitung der Schritte S100 bis S140 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmt, wie in dem Ablaufdiagramm der Fig. 6 gezeigt ist.
  • In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S340 verneinend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen nicht um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, geht das Programm zum RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine. In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S340 zustimmend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, führt das Programm im Gegensatz dazu die nachstehend beschriebene Abarbeitung aus.
  • Die CPU 38a liest einen vom Brennstoffzellenstapel 10 ausgegebenen elektrischen Strom I, der im Schritt S341 durch das Amperemeter 233 gemessen ist, und berechnet im Schritt S342 aus dem elektrischen Ausgangsstrom I einen erforderlichen Durchfluß MA des gasförmigen Brennstoffs, welcher für den Brennstoffzellenstapel 10 theoretisch erforderlich ist. Die CPU 38a liest dann im Schritt S343 von der Gasdurchflußmengen-Meßvorrichtung 231 eine Istdurchflußmenge MB des gasförmigen Brennstoffs, welcher über die Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 tatsächlich in den Brennstoffzellenstapel 10 strömt. Im nachfolgenden Schritt S344 berechnet die CPU 38a ein Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs durch Teilen der Istdurchflußmenge MB des gasförmigen Brennstoffs, die im Schritt S343 gelesen ist, durch die erforderliche Durchflußmenge MA des gasförmigen Brennstoffs, die in dem Schritt S342 berechnet ist, und Multiplizieren des Quotienten mit 100.
  • Das Programm geht dann zu dem Schritt S345 in dem Ablaufdiagramm der Fig. 11, in welchem die CPU 38a bestimmt, ob das berechnete Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs kleiner als 100% ist. In dem Fall, daß das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs kleiner als 100% ist, bestimmt das Programm die verminderte Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 unter der Bedingung einer ausreichenden Zuführung des gasförmigen Brennstoffs und führt die Abarbeitung der Schritte S350 bis S392 aus, welche mit der Abarbeitung der Schritte S150 bis S192 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmend ist.
  • In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S345 verneinend ist, d. h., wenn das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs nicht kleiner als 100% ist, geht das Programm zu dem Schritt S394, um die Steuerventile (nicht gezeigt) zu regulieren, und erhöht die der Reformiervorrichtung 16 zugeführte Wasser- und Methanolmenge. Der Prozeß des Schritts 5394 ergänzt den gasförmigen Brennstoff und vermindert so das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs. Der Prozeß des Schritts S394 kann durch einen anderen Prozeß ersetzt werden, der die Belastung verringert, die mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, und den elektrischen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 10 vermindert, um das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs zu verkleinern.
  • Nach einem der Schritte S390, S392 und S394 geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • In der Steuerroutine wird angenommen, daß das Ausnutzungsverhältnis des sauerstoffhaltigen Gases, das der Kathode 43 in dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, immer kleiner als 100% ist. In dem gegenwärtigen Zustand ist es jedoch wünschenswert, das Ausnutzungsverhältnis des sauerstoffhaltigen Gases zu berechnen und zu bestimmen, ob sowohl das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs als auch das Ausnutzungsverhältnis des sauerstoffhaltigen Gases im Schritt S345 kleiner als 100% ist oder nicht. In dem Fall, daß eines der Ausnutzungsverhältnisse nicht kleiner als 100% ist, sollte das entsprechende Gas ohne Verzögerung ergänzt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben, in dem Fall, daß die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 vermindert ist, bestimmt der Brennstoffzellengenerator 201 der zweiten Ausführungsform, ob das Gasausnutzungsverhältnis an den Anoden 42 kleiner als 100% ist oder nicht, ob der Katalysator vergiftet ist oder nicht, nur wenn das Gasausnutzungsverhältnis kleiner als 100% ist, und führt die Steuerung der Batterieleistung gemäß dem Vergiftungszustand des Katalysators aus. In dem Fall, daß das Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als 100% ist, führt im Gegensatz dazu der Generator die Steuerung nicht aus, sondern erhöht sofort die Wasser- und die Methanolmenge, die der Reformiervorrichtung 16 zugeführt wird, um das Ausnutzungsverhältnis R des gasförmigen Brennstoffs zu senken. Wenn das Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als 100% ist, wird eine Verringerung der Batterieleistung beobachtet, welche im Zusammenhang mit einer Verminderung der Leistung infolge des durch Kohlenmonoxid vergifteten Katalysators ist. Dies ist der Fall, weil eine Erhöhung des Gasausnutzungsverhältnisses R die Konzentration des Kohlenmonoxids an dem Gasauslaß auf der Anodenseite erhöht, selbst wenn die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem Gaseinlaß auf der Anodenseite gleichbleibend erhalten wird.
  • Der Brennstoffzellengenerator 201 realisiert die hochgenaue Bestimmung des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der verschiedenen Daten, einschließlich dem beobachteten Gasausnutzungsverhältnis R. Dies ermöglicht, die verringerte Batterieleistung infolge des vergifteten Katalysators mit höherer Genauigkeit wiederherzustellen. Unter der Bedingung des hohen Gasausnutzungsverhältnisses R führt der Brennstoffzellengenerator der zweiten Ausführungsform nicht unnötig die Regelung der Brennstoffzellentemperatur und des Brenngasdrucks auf der Grundlage des Vergiftungszustands des Katalysators aus.
  • Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau eines noch anderen Brennstoffzellengenerators 301 als eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Brennstoffzellengenerator 301 der dritten Ausführungsform weist alle Komponenten, die in dem Brennstoffzellengenerator 1 der ersten Ausführungsform vorliegen, wobei die gleichen Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnen.
  • Der Brennstoffzellengenerator 301 weist ferner eine Befeuchtungsvorrichtung 303 auf, die in der Gasbrennstoff-Zuführleitung 17 angeordnet ist, welche die Reformiervorrichtung 16 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbindet, um den gasförmigen Brennstoff anzufeuchten, der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, eine Umgehungsleitung 305 zum Umgehen der Befeuchtungsvorrichtung 303, eine MFC (Massendurchflußmengen-Steuervorrichtung) 307, die in der Umgehungsleitung 305 zum Regeln des Durchflusses in der Umgehungsleitung 305 angeordnet ist, und eine Impedanzmeßvorrichtung 334 zum Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Die Impedanzmeßvorrichtung 334 ist mit der Eingabeverarbeitungsschaltung 38d der elektronischen Steuereinheit 38 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 38 nimmt Detektionssignale von den verschiedenen Sensoren auf, welche die Impedanzmeßvorrichtung 334 einschließen und die Stellung des Rückdruck-Regelventils 19 als Reaktion auf die eingegebenen Detektionssignale einstellen, wodurch die Durchflußmenge des gasförmigen Brennstoffs verändert wird, der durch die Strömungspfade 44p in den Brennstoffzellenstapel 10 strömt. Die elektronische Steuereinheit 38 regelt auch den Steuerablauf durch die MFC 307, um die Feuchtigkeit des gasförmigen Brennstoffs zu verändern, der dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. Diese Regelungen führen zur Steuerung der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Die elektronische Steuereinheit 38 führt eine Routine zur Steuerung der Batterieleistung auf, wie in den Ablaufdiagrammen der Fig. 13 und 14 gezeigt ist. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine der Fig. 13 eintritt, führt die CPU 38a zuerst die Abarbeitung der Schritte S400 bis S440 aus, welche mit der Abarbeitung der Schritte S100 bis S140 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmt, die in dem Ablaufdiagramm der Fig. 6 gezeigt ist.
  • In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S440 verneinend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen nicht um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine. In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S440 bejahend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, führt das Programm im Gegensatz dazu die nachstehend beschriebene Abarbeitung aus.
  • Die CPU 38a liest zuerst eine Impedanz Z, die mit der Impedanzmeßvorrichtung 334 im Schritt S442 gemessen ist, und bestimmt im Schritt S444 in dem Ablaufdiagramm der Fig. 14, ob die beobachtete Impedanz Z innerhalb eines Bereichs einer vorbestimmten ersten Impedanz Z1 zu einer vorbestimmten zweiten Impedanz Z2 (> Z1) ist. Dies bestimmt, ob der Verbindungskörper der Elektrolytmembran 41, der Anode 42 und der Kathode 43 weder zu feucht noch zu trocken, sondern in dem Normalzustand ist.
  • Wenn die Antwort im Schritt S444 zustimmend ist, bestimmt das Programm die verminderte Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 unter der Bedingung, daß der Verbindungskörper der Elektrolytmembran 41, die Anode 42 und die Kathode 43 weder zu feucht noch zu trocken, sondern in dem Normalzustand ist, und führt die Abarbeitung der Schritte S450 bis S492 aus, welche mit der Abarbeitung der Schritte S150 bis S192 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmt.
  • Wenn die Antwort im Schritt S444 verneinend ist, d. h., wenn die beobachtete Impedanz Z innerhalb des Bereichs von Z1 bis Z2 ist, geht das Programm andererseits zu dem Schritt S494. In dem Fall, daß die beobachtete Impedanz Z größer als die vorbestimmte zweite Impedanz Z 2 ist, gibt die CPU 38a ein Steuersignal an die MFC 307 aus, um die Durchflußmenge des wasserstoffreichen Gases in der Umgehungsleitung 305 im Schritt S494 zu vermindern. Diese Regelung erhöht das relative Verhältnis der Zuführung des feuchten Gases, das durch die Befeuchtungsvorrichtung 303 strömt, zu der Gesamtzuführung des dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Gases, wodurch der übermäßig trockene Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 aufgehoben wird. In dem Fall, daß die beobachtete Impedanz Z kleiner als die vorbestimmte erste Impedanz Z1 ist, gibt die CPU 38a andererseits ein Steuersignal an die MFC 307 aus, um die Durchflußmenge des wasserstoffreichen Gases in der Umgehungsleitung 305 im Schritt S494 zu erhöhen. Diese Regelung verkleinert das relative Verhältnis der Zuführung des feuchten Gases, das durch die Befeuchtungsvorrichtung 303 strömt, zu der Gesamtzuführung des dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Gases, wodurch der übermäßig feuchte Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 aufgehoben wird.
  • Obgleich der übermäßig feuchte Zustand oder der übermäßig trockene Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch Regelung der MFC 307 im Schritt S494 aufgehoben wird, steuert ein anderer möglicher Prozeß die Befeuchtungsvorrichtung 303 (steuert z. B. die Temperatur der Befeuchtungsvorrichtung 303), um so den übermäßig feuchten Zustand oder den übermäßig trockenen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 aufzuheben.
  • Nach einem der Schritte S490, S492 und S494 geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Wie vorstehend beschrieben, in dem Fall, daß die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 vermindert ist, bestimmt der Brennstoffzellengenerator 301 der dritten Ausführungsform, ob die beobachtete Impedanz Z des Brennstoffzellenstapels 10 innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 ist oder nicht, bestimmt, ob der Katalysator vergiftet ist oder nicht, nur wenn die beobachtete Impedanz Z innerhalb des Bereichs Z1 und Z2 ist und führt die Steuerung der Batterieleistung gemäß dem Vergiftungszustand des Katalysators aus. In dem Fall, daß die beobachtete Impedanz Z außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 ist, führt der Generator die Steuerung nicht aus, aber hebt unverzüglich den übermäßig feuchten Zustand oder den übermäßig trockenen Zustand des Verbindungskörpers der Elektrolytmembran 41, der Anode 42 und der Kathode 43 auf, um die beobachtete Impedanz Z innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 herzustellen.
  • Wenn der Verbindungskörper der Elektrolytmembran 41, der Anode 42 und der Kathode 43 entweder zu feucht oder zu trocken ist, wird eine Verminderung der Batterieleistung, welche mit einer Verminderung der Leistung infolge des vergifteten Katalysators durch Kohlenmonoxid im Zusammenhang ist. Der Brennstoffzellengenerator 301 mißt die Impedanz Z des Brennstoffzellenstapels 10 und bestimmt, ob der Verbindungskörper der Elektrolytmembran 41 und der Elektroden 42 und 43 entweder zu feucht oder zu trocken ist oder nicht, auf der Grundlage der beobachteten Impedanz Z. Der Generator realisiert die hochgenaue Bestimmung des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der verschiedenen Daten, einschließlich dem Bestimmungsergebnis bezüglich des Zustands des Verbindungskörpers. Dies ermöglicht, die verminderte Batterieleistung infolge des vergifteten Katalysators mit höherer Genauigkeit wiederherzustellen. Während die beobachtete Impedanz Z außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 ist, führt der Generator der dritten Ausführungsform nicht unnötigerweise die Regelung der Brennstoffzellentemperatur und des Brenngasdrucks auf der Grundlage des Vergiftungszustands des Katalysators aus.
  • Obgleich die dritte Ausführungsform die Steuerung auf der Grundlage der Impedanz Z zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform hinzufügt, fügt eine andere mögliche Anwendung die Steuerung auf der Grundlage der Impedanz Z zu dem Aufbau der zweiten Ausführungsform hinzu. In dem letzteren Aufbau wird die Steuerung der Batterieleistung auf der Grundlage der Brennstoffzellentemperatur und des Brenngasdrucks verboten, wenn das Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als 100% ist, oder wenn die Impedanz Z außerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 ist. Gemäß einem konkreten Prozeß wird die Abarbeitung des Schritts S144 der dritten Ausführungsform, wie in dem Ablaufdiagramm der Fig. 14 gezeigt, welcher bestimmt, ob die Impedanz Z innerhalb des vorbestimmten Bereichs von Z1 bis Z2 ist, in dem Fall ausgeführt, daß die Antwort im Schritt S345 der zweiten Ausführungsform zustimmend ist, wie in dem Ablaufdiagramm der Fig. 11 gezeigt ist. Wenn die Antwort im Schritt S444 verneinend ist, führt das Programm die Abarbeitung des Schritts S494 in dem Ablaufdiagramm der Fig. 14 aus. Wenn die Antwort im Schritt S444 zustimmend ist, führt das Programm andererseits die Abarbeitung des Schritts S350 in dem Ablaufdiagramm der Fig. 11 aus. Dieser Aufbau ermöglicht, die infolge des vergifteten Katalysators abgesunkene Batterieleistung mit hoher Genauigkeit wiederzugewinnen.
  • Fig. 15 zeigt ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines anderen Brennstoffzellengenerators 501 als eine vierte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt. Der Brennstoffzellengenerator 501 der vierten Ausführungsform weist einen ähnlichen Hardwareaufbau wie der Brennstoffzellengenerator 1 der ersten Ausführungsform auf, mit Ausnahme des Aufbaus des Kohlenmonoxidsensors 530. Dieselben Komponenten wie jene der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Fig. 16 zeigt einen Senkrechtschnitt des Kohlenmonoxidsensors 530 mit der elektronischen Steuereinheit 38. Der Kohlenmonoxidsensor 530 der vierten Ausführungsform weist eine zusätzliche Funktion zum Messen von in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Methanol auf, als auch die Funktion zum Messen von Kohlenmonoxid, das in dem gasförmigen Brennstoff enthalten ist, wie in der ersten Ausführungsform. Der Kohlenmonoxidsensor 530 weist demgemäß dieselben Komponenten wie der Kohlenmonoxidsensor 30 der ersten Ausführungsform auf und einen Funktionsumschaltmechanismus 540. Der Funktionsumschaltmechanismus 540 weist ein Relais 542 und einen Kontakt 544 eines Relais 542 auf. Der Funktionsumschaltmechanismus 540 ist zwischen den Detektionsanschlüssen 70T und 72T parallel zu dem Voltmeter 82 angeordnet. Der Kontakt 544 des Relais 542 und der Widerstand 84 sind in Reihe angeordnet.
  • In der AUS-Stellung des Relais 542 ist der Kontakt 544 des Relais 542 offen, um den Widerstand 84 von den Detektionsanschlüssen 70T und 72T zu trennen. Die durch das Voltmeter 82 in diesem Zustand gemessene Potentialdifferenz stellt die Leerlaufspannung OCV zwischen den Elektroden 62 und 64 dar. In der EIN-Stellung des Relais 542 ist andererseits der Kontakt 544 des Relais 542 geschlossen, um den Widerstand 84 mit den Detektionsanschlüssen 70T und 72T zu verbinden. Die durch das Voltmeter 82 in diesem Zustand gemessene Potentialdifferenz stellt die Potentialdifferenz zwischen beiden Anschlüssen des Widerstands 84 dar. Das Relais 542 ist mit der Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e der Steuereinheit 38 verbunden und wird durch die elektronische Steuereinheit 38 angesteuert.
  • Die elektronische Steuereinheit 38 gibt ein Umschaltsignal zum Umschalten des Relais 542 zwischen der EIN-Stellung und der AUS-Stellung des Kohlenmonoxidsensors 530 über die Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e aus. Der Kohlenmonoxidsensor 530 nimmt das Umschaltsignal auf und arbeitet in der nachstehend beschriebenen Weise.
  • In der EIN-Stellung des Relais 542 (d. h. in der Schließlage des Kontakts 544) ist der Widerstand 84 mit den Detektionsanschlüssen 70T und 72T verbunden, und die Potentialdifferenz, die durch das Voltmeter 82 gemessen ist, stellt die Potentialdifferenz zwischen beiden Anschlüssen des Widerstands 84 dar. In diesem Zustand mißt der Kohlenmonoxidsensor 530 die Konzentration des in dem wasserstoffreichen Brennstoff oder in dem Objektgas enthaltenen Kohlenmonoxids in derselben Weise wie der Kohlenmonoxidsensor 30 der ersten Ausführungsform. In der AUS-Stellung des Relais 542 (d. h. in der Offenlage des Kontakts 544) mißt im Gegensatz dazu der Kohlenmonoxidsensor 530 die Konzentration des Methanols, das in dem wasserstoffreichen, gasförmigen Brennstoff enthalten ist. Der Messung der Konzentration des Methanols folgt ein weiter nachstehend beschriebener Prozeß.
  • In dem Kohlenmonoxidsensor 530 wird eine Zuführmenge Wasserstoff in dem gasförmigen Brennstoff der Elektrode 62 zugeführt, wogegen eine Zuführmenge Sauerstoff in der Atmosphäre der Elektrode 64 zugeführt wird. Die Reaktionen, die durch die vorstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt werden, erfolgen weiter auf der Oberfläche der Elektroden 62 und 64 entlang der Elektrolytmembran 60.
  • Diese Reaktionen sind mit den Reaktionen in den Brennstoffzellen übereinstimmend, die Zuführmengen an Wasserstoff und Sauerstoff aufnehmen und Elektrizität erzeugen, so daß zwischen den Elektroden 62 und 64 eine elektromotorische Kraft erzeugt wird. Die elektromotorische Kraft unter der Bedingung, daß zwischen den Elektroden 62 und 64 keine Last angeschlossen ist, wird als Leerlaufspannung OCV, die Offenendspannung oder die Spannung im unbelasteten Zustand bezeichnet. In dem Fall, daß in dem Objektgas Methanol vorliegt, nimmt die Leerlaufspannung OCV zwischen den Elektroden 62 und 64 mit einer Erhöhung der Konzentration des Methanols ab. Dies wird der Erscheinung zugeschrieben, daß Methanol in dem Objektgas durch die Elektrolytmembran 60 tritt und mit Sauerstoff auf der Oberfläche der Elektrode 64 reagiert, die mit der Elektrolytmembran 60 in Kontakt ist, wodurch das Potential auf der Elektrode 64 vermindert wird.
  • Das Kurvenbild der Fig. 17 zeigt die Beziehung zwischen der Konzentration des Methanols in dem Objektgas und der Leerlaufspannung OCV zwischen den Elektroden 62 und 64. Vier Säulen in dem Kurvenbild der Fig. 17 stellen die Leerlaufspannungen OCV bei jeder Methanolkonzentration in den vier unterschiedlichen Zuständen dar, wenn das Oxidationsgas unter dem Druck von 1,0 atm (101 kPa), 1,5 atm (152 kPa), 2,0 atm (203 kPa) oder 2,5 atm (253 kPa) der Elektrode 64 zugeführt wird, über dem Objektgas unter dem Druck von 1,5 atm (152 kPa), wie in dem unteren rechten Kasten des Kurvenbilds definiert ist. Wie aus dem Kurvenbild der Fig. 17 deutlich erkennbar ist, nimmt die Leerlaufspannung OCV mit einer Erhöhung der Konzentration des in dem Objektgas enthaltenen Methanols in allen der vier unterschiedlichen Zustände allmählich ab.
  • In dem Kohlenmonoxidsensor 530 wird die Leerlaufspannung OCV durch das Voltmeter 82 gemessen, und ein Detektionssignal, das die beobachtete Leerlaufspannung OCV darstellt, wird über die Eingabeverarbeitungsschaltung 38d der elektronischen Steuereinheit 38 eingegeben. In der elektronischen Steuereinheit 38 nimmt die CPU 38a bezug auf ein Kennfeld, das in dem ROM 38b vorhergehend gespeichert ist und die Beziehung zwischen der Konzentration des Methanols in dem Objektgas und der Leerlaufspannung OCV zeigt, die durch das Voltmeter 82 gemessen ist, z. B. das Kurvenbild der Fig. 18, und liest die Methanolkonzentration entsprechend der eingegebenen Leerlaufspannung OCV. Auf diese Weise detektiert der Kohlenmonoxidsensor 530 die Konzentration des Methanols in dem wasserstoffreichen Gas mit hoher Genauigkeit.
  • Die Reformiervorrichtung 16, die in der vierten Ausführungsform verwendet ist, stimmt mit jener der ersten Ausführungsform überein und weist den nachstehend beschriebenen Aufbau auf. Die Reformiervorrichtung 16 weist eine Reformiereinheit 16a auf, in welcher Methanol in Kohlenmonoxid und Wasserstoff zerlegt wird und das so erhaltene Kohlenmonoxid mit Wasser reagiert, um Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen, eine Konvertierungsreaktionseinheit 16b, in welcher das restliche Kohlenmonoxid, das in der Reformiereinheit 16a nicht umgesetzt ist, mit Wasser zur Reaktion gebracht wird, und eine Teiloxidationseinheit 16c, in welcher nur das restliche Kohlenmonoxid, das selbst in der Konvertierungsreaktionseinheit 16b nicht umgesetzt ist, selektiv oxidiert wird. Die jeweiligen Einheiten 16a bis 16c sind mit der elektronischen Steuereinheit 38 verbunden. Die CPU 38a der elektronischen Steuereinheit 38 steuert die Reformiereinheit 16a, die Konvertierungsreaktionseinheit 16b und die Teiloxidationseinheit 16c der Reformiervorrichtung 16 und verändert die Qualität des resultierenden wasserstoffreichen, gasförmigen Brennstoffs.
  • Nachfolgend wird die Steuerung der Batterieausgangsleistung beschrieben, die durch die elektronische Steuereinheit 38 in der vierten Ausführungsform ausgeführt wird. Die Steuerung der Batterieleistung wird durch die CPU 38a realisiert, die einer Leseroutine der Sensorausgaben folgt, wie in dem Ablaufdiagramm der Fig. 19 gezeigt ist, und einer Hauptroutine, die in dem Ablaufdiagramm der Fig. 20 gezeigt ist. Die Leseroutine der Sensorausgaben wird in vorbestimmten Zeitabständen wiederholt ausgeführt, z. B. alle 50 ms. Wenn das Programm in die Routine der Fig. 19 eintritt, liest die CPU 38a zuerst die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10, die Brennstoffzellentemperatur T und den Brenngasdruck P in den Schritten S600, S610 und S620, welche mit den Schritten S100, S120 und S130 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmen.
  • Die CPU 38a bestimmt dann im Schritt S630, ob ein Anzeiger F gleich Null ist. Der Anzeiger F, welcher in den nachfolgenden Schritten gesetzt oder zurückgesetzt wird, ist anfänglich auf Null eingestellt. Wird im Schritt S630 bestimmt, daß der Anzeiger F gleich Null ist, gibt die CPU 38a im Schritt S631 ein EIN-Signal aus, um das Relais 542 in die EIN-Stellung umzuschalten (d. h. den Kontakt 544 in die Schließlage zu schalten). Der Anzeiger F wird dann im Schritt S632 auf 1 gesetzt. Dies verändert den Wert des Anzeigers F gegenüber dem gegenwärtigen Zustand. Im nachfolgenden Schritt S633 liest die CPU 38a die Potentialdifferenz des Kohlenmonoxidsensors 530, die durch das Voltmeter 82 gemessen ist, und berechnet eine Konzentration D1 des Kohlenmonoxids aus der beobachteten Potentialdifferenz. Da das Relais 542 in die EIN-Stellung umgeschaltet ist, stellt die im Schritt S633 durch das Voltmeter 82 gemessene Potentialdifferenz die Potentialdifferenz zwischen beiden Anschlüssen des Widerstands 84 dar. Der Kohlenmonoxidsensor 530 bestimmt somit die Konzentration des in dem Objektgas enthaltenen Kohlenmonoxids.
  • Wird im Schritt 8630 bestimmt, daß der Anzeiger nicht gleich Null ist, sondern gleich 1 ist, gibt die CPU 38a im Schritt S635 über die Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e ein AUS- Signal an das Relais 542 aus, um das Relais 542 in die AUS- Stellung zu schalten (d. h., den Kontakt in die Offenlage zu schalten). Der Anzeiger F wird dann im Schritt S636 auf Null zurückgesetzt. Dies verändert den Wert des Anzeigers gegenüber dem gegenwärtigen Zustand. Im nachfolgenden Schritt 5637 liest die CPU 38a die Potentialdifferenz des Kohlenmonoxidsensors 530, die durch das Voltmeter 82 gemessen ist, und berechnet eine Konzentration D2 des Methanols aus der beobachteten Potentialdifferenz. Da das Relais 542 in die AUS-Stellung geschaltet ist, stellt die durch das Voltmeter 82 im Schritt S637 gemessene Potentialdifferenz die Leerlaufspannung OCV dar. Der Kohlenmonoxidsensor 530 bestimmt somit die Konzentration des in dem Objektgas enthaltenen Methanols.
  • Nach Ausführung entweder des Schritts S633 oder des Schritts S637 geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine. Die Leseroutine der Sensorausgaben detektiert die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10, die Brennstoffzellentemperatur T, den Brenngasdruck P, die Konzentration D1 des Kohlenmonoxids und die Konzentration D2 des Methanols, wie vorstehend beschrieben.
  • Die Hauptroutine der Fig. 20 wird in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine der Fig. 20 eintritt, bestimmt die CPU 38a zuerst im Schritt S640, ob die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10, welche in der Sensorausgabe- Leseroutine der Fig. 19 gelesen ist, um die Änderungsmenge vermindert ist oder nicht, die nicht kleiner als eine vorbestimmte Spannung E0 ist, welcher mit dem Schritt S140 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmt. In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S640 verneinend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen nicht um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, geht das Programm zu RÜCK- SPRUNG und verläßt diese Routine. In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S640 bejahend ist, d. h., wenn bestimmt ist, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen um die Änderungsmenge vermindert ist, welche nicht kleiner als die vorbestimmte Spannung E0 ist, führt im Gegensatz dazu das Programm die nachstehend beschriebene Abarbeitung aus.
  • Die CPU 38a bestimmt im Schritt S642, ob die letzte Konzentration D2 des Methanols, die in der Sensorausgabe-Leseroutine berechnet ist, nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert (z. B. 1%) ist oder nicht. Dies bestimmt, ob der gasförmige Brennstoff eine hohe Konzentration des Methanols enthält oder nicht. In dem Fall, daß der gasförmige Brennstoff eine hohe Konzentration an Methanol enthält, geht das Programm zu dem Schritt S644 und erhöht die Temperatur der Reformiereinheit 16a und erhöht dadurch die Reaktivität des Methanols. Gemäß einem konkreten Prozeß gibt die CPU 38a über die Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e ein Steuersignal an die Reformiereinheit 16a aus. Die erhöhte Reaktivität des Methanols in der Reformiereinheit 16a vermindert das in dem gasförmigen Brennstoff enthaltene Methanol. Das Programm geht dann zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Wird im Schritt S642 bestimmt, daß der gasförmige Brennstoff keine hohe Konzentration an Methanol enthält, führt das Programm andererseits die Abarbeitung der Schritte S650 bis S692 aus, welche mit der Abarbeitung der Schritte S150 bis S192 in der Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der ersten Ausführungsform übereinstimmt. In dem Fall, daß der Katalysator auf der Grundlage der Konzentration D1 des Kohlenmonoxids als in dem Vergiftungszustand befindlich bestimmt ist, regelt die CPU 38a sowohl die Brennstoffzellentemperatur als auch den Brenngasdruck und erhöht die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen. In dem Fall, daß der Katalysator als nicht in dem Vergiftungszustand befindlich bestimmt ist, regelt im Gegensatz dazu die CPU 38a die Brennstoffzellentemperatur auf die ideale Betriebstemperatur. Das Programm geht dann zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Wie vorstehend beschrieben, erhöht der Brennstoffzellengenerator 501 der vierten Ausführungsform die Betriebstemperatur der Reformiereinheit 16a der Reformiervorrichtung 16 als Reaktion auf die Verkleinerung der Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10, wenn die Konzentration des in dem resultierenden gasförmigen Brennstoff enthaltenen Methanols, der durch die Reformiervorrichtung 16 erzeugt ist, nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Die erhöhte Temperatur vermindert die Konzentration des in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Methanols. In dem Fall, daß die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10 infolge der hohen Konzentration des in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Methanols vermindert ist, erhöht dieser Aufbau auf wirkungsvolle Weise die Ausgangsspannung E des Brennstoffzellenstapels 10. In dem Fall, daß die Ausgangsspannung E der Brennstoffzellen infolge der Vergiftung des Katalysators vermindert ist, erhöht dieser Aufbau andererseits die Ausgangsspannung E in derselben Weise wie in der ersten Ausführungsform. Der Aufbau der vierten Ausführungsform schreibt die verminderte Ausgangsspannung E entweder dem vergifteten Katalysator oder der hohen Konzentration des in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Methanols zu und leitet eine Maßnahme gemäß der Ursache ein, wodurch auf wirkungsvolle Weise die Leistungsabgabe der Brennstoffzellen erhöht wird.
  • Der Kohlenmonoxidsensor 530 der vierten Ausführungsform weist den Funktionsumschaltmechanismus 540 zusätzlich zu den Komponenten des Kohlenmonoxidsensors 30 der ersten Ausführungsform auf und kann sowohl Kohlenmonoxid als auch Methanol detektieren. Der einfache Aufbau realisiert sowohl die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung als auch die Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines noch anderen Brennstoffzellengenerators 701 als eine fünfte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt. Der Brennstoffzellengenerator 701 der fünften Ausführungsform weist alle Komponenten des Brennstoffzellengenerators 1 der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform auf, wobei die gleichen Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Der Brennstoffzellengenerator 701 weist ferner auf: eine Reinigungsvorrichtung 703 zum Reinigen des sauerstoffhaltigen Gases, eine Zuführleitung 705 für sauerstoffhaltiges Gas zum Verbinden der Reinigungsvorrichtung 703 für sauerstoffhaltiges Gas mit einem Brennstoffzellenstapel 10A, eine Austragleitung 707 für sauerstoffhaltiges Gas, um das sauerstoffhaltige Gas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragen ist, nach außerhalb zu leiten, und ein Rückdruck-Regelventil 709 zum Regeln der Öffnung der Austragleitung 707 für sauerstoffhaltiges Gas. Das System für sauerstoffhaltiges Gas ist ebenfalls in die erste Ausführungsform eingeschlossen, obgleich die Darstellung in der ersten Ausführungsform ausgelassen ist. Ein Drucksensor 711 zum Messen des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases ist an dem Brennstoffzellenstapel 10A angeordnet, welcher mit dem Brennstoffzellenstapel 10 der ersten Ausführungsform in Übereinstimmung ist. In der nachstehenden Beschreibung wird der Drucksensor 711 des sauerstoffhaltigen Gases als der zweite Drucksensor 711 bezeichnet, wogegen der Drucksensor 36 des gasförmigen Brennstoffs, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, als der erste Drucksensor 36 bezeichnet ist.
  • Der zweite Drucksensor 711 ist mit der Eingabeverarbeitungsschaltung 38d der elektronischen Steuereinheit 38 verbunden. Das Rückdruck-Regelventil 709 ist mit der Ausgabeverarbeitungsschaltung 38e der elektronischen Steuereinheit 38 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 38 nimmt Detektionssignalausgaben von verschiedenen Sensoren auf, einschließlich dem zweiten Drucksensor 711, und gleicht die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 als Reaktion auf die eingegebenen Detektionssignale ab, wodurch die Durchflußmenge des sauerstoffhaltigen Gases verändert wird, das durch die Strömungspfade 45p des Brennstoffzellenstapels 10A strömt.
  • In der fünften Ausführungsform führt die elektronische Steuereinheit 38 die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform aus und führt anschließend eine Routine zum Regeln des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus. Fig. 22 zeigt ein Ablaufdiagramm der Routine zum Steuern des Druck des sauerstoffhaltigen Gases. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die in Fig. 22 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a zuerst einen Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs (kann nachstehend als der Brenngasdruck Pa bezeichnet sein) und einen Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases (kann nachstehend als der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases bezeichnet sein), die jeweils durch den ersten Drucksensor 36 und den zweiten Drucksensor 711 im Schritt S800 gemessen sind.
  • Der Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs wird mit dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases im Schritt S810 verglichen. In dem Fall, daß der Druck Pa nicht kleiner als der Druck Pc ist, geht das Programm zum Schritt S820 und regelt die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Schließrichtung um einen vorbestimmten Wert V0, wodurch der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases erhöht wird. Dies ermöglicht, den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases allmählich zu erhöhen und den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs zu übersteigen. Das Programm geht dann zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • In dem Fall, daß der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases größer als der Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs im Schritt S810 ist, überspringt das Programm andererseits die Abarbeitung des Schritts S820 und geht direkt zu RÜCKSPRUNG, um diese Routine zu verlassen.
  • Die vorstehend beschriebene Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases reguliert die Stellung Vc des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases und ermöglicht dadurch, daß der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases größer als der Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs gehalten wird. Fig. 23 zeigt Kennlinien des Brenngasdrucks Pa und des Gasdrucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur unter solchen Bedingungen. Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Batterieausgangsleistung-Steuerroutine erhöht den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases wird andererseits bis zu einem Punkt A auf einem gleichbleibenden Wert erhalten, an welchem der Brenngasdruck Pa gleich dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases ist. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases nimmt dann mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur entlang der Kurve des Brenngasdrucks Pa zu, während die Differenz auf einem vorbestimmten Wert α erhalten wird.
  • Im allgemeinen wird eine der Beziehungen Pa > Pc, Pa = Pc und Pa < Pc zwischen dem Brenngasdruck Pa an den Anoden der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen und dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases an den Anoden erhalten. Welche Druckbedingung zum Betrieb des Brennstoffzellengenerators auszuwählen ist, hängt von der Auslegung und dem Aufbau des Brennstoffzellengenerators ab.
    • (1) In dem Fall Pa > Pc
  • Flüssiges Methanol wird verdampft und dehnt sich in der Methanol-Reformiervorrichtung aus, so daß der Druck an der Anode rasch erhöht wird. In dem Fall, daß die Luft (Atmosphäre) der Kathode zugeführt wird, ist eine große Energie der Hilfsvorrichtungen zum Verdichten der Luft und zum Erhöhen des Drucks erforderlich. Die Brennstoffzellen werden demgemäß unter der Druckbedingung Pa > Pc im Hinblick auf die Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellengenerators betrieben.
    • (2) In dem Fall Pa = Pc
  • In den Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen wird eine Fluor- Ionenaustausch-Membran als die Elektrolytmembran verwendet. Die Fluor-Ionenaustauschermembran weist eine geringe Dicke von 50 bis 200 um und eine relativ niedrige Festigkeit auf. Eine große Druckdifferenz zwischen dem Brenngasdruck an der Anode und dem Druck des sauerstoffhaltigen Gases an der Kathode erhöht den Druck, der an der Ionenaustauschermembran anliegt. Die dünne und relativ schwache Ionenaustauschermembran wird stark gegen die Kanten der Strömungspfad des Gases gedrückt und kann beschädigt werden. Die Brennstoffzellen mit den dünnen Ionenaustauschermembranen werden demgemäß unter der Druckbedingung Pa = Pc betrieben.
    • (3) In dem Fall Pa < Pc
  • In den Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen hängt die Protonenleitfähigkeit der Ionenaustauschermembran vom Wassergehalt in der Ionenaustauschermembran ab. Eine Erhöhung des Wassergehalts der Ionenaustauschermembran ist somit erforderlich, um das Leistungsvermögen der Brennstoffzellen zu steigern. In der Ionenaustauschermembran kann Wasser durch Rückdruck des Wassers, welches an den Kathoden durch die elektrochemischen Reaktionen in den Brennstoffzellen erzeugt ist, zu den Anoden eingeschlossen werden. Die Brennstoffzellen werden unter der Druckbedingung Pa < Pc im Hinblick auf die Schaffung einer solchen Umgebung betrieben.
  • Welche eine der Druckbedingungen (1), (2), (3) auszuwählen ist, hängt davon ab, worauf beim Brennstoffzellengenerator Wert gelegt wird. Es besteht demgemäß keine Überlegenheit oder Unterlegenheit zwischen diesen drei Bedingungen. Die fünfte Ausführungsform führt die vorstehend beschriebene Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus und erhält dadurch die Beziehung Pa < Pc im Hinblick auf die Erhöhung der Feuchtigkeitserhaltung der Elektrolytmembran aufrecht.
  • Wie vorstehend beschrieben, führt der Brennstoffzellengenerator 701 der fünften Ausführungsform die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus und ermöglicht, daß der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs übersteigt, selbst wenn die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs erhöht. Der Aufbau der fünften Ausführungsform übt dieselben Wirkungen aus wie die erste Ausführungsform, wie z. B. die Wiederherstellung der Batterieausgangsleistung und weist eine ausgezeichnete Feuchtigkeitserhaltung der Elektrolytmembran 41 auf, wie vorstehend in dem Fall (3) beschrieben ist.
  • Obgleich die Beziehung (3) Pa < Pc in der fünften Ausführungsform erhalten wird, hält ein anderer möglicher Aufbau die Beziehung (1) Pa > Pc aufrecht. In diesem wahlweisen Aufbau, wie in Fig. 24 gezeigt, während die in der ersten Ausführungsform beschriebene Batterieausgangsleistung- Steuerroutine den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur vergrößert, wird der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases auf einem gleichbleibenden Wert erhalten und verändert sich nicht mit einer Erhöhung des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs.
  • Ein noch anderer möglicher Aufbau erhält die Beziehung (2) Pa = Pc aufrecht. Während in diesem Aufbau, wie in Fig. 25 gezeigt, die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Zunahme der Brennstoffzellentemperatur erhöht, steigt der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases mit der Erhöhung des Drucks Pa des gasförmigen Brennstoffs.
  • Diese abgewandelten Strukturen ermöglichen den Betrieb der Brennstoffzellen unter einer gewünschten Beziehung zwischen den Drücken des gasförmigen Brennstoffs und des Oxidationsgases, selbst wenn der Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs durch die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine zwangsweise erhöht wird, und weist demzufolge eine hervorragende Betriebsstabilität auf.
  • Nachfolgend wird eine sechste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Brennstoffzellengenerator der sechsten Ausführungsform weist einen übereinstimmenden Hardwareaufbau zum Brennstoffzellengenerator 701 der fünften Ausführungsform auf und hat eine ähnliche Softwarestruktur. Der einzige Unterschied besteht in der Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die durch die CPU 38a der elektronischen Steuereinheit 38 ausgeführt wird. Die sechste Ausführungsform realisiert den Hardwareaufbau und den Softwareaufbau des Brennstoffzellengenerators 1 der ersten Ausführungsform und führt eine Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus, wie nachstehend beschrieben ist.
  • Fig. 26 zeigt ein Ablaufdiagramm der Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die in der sechsten Ausführungsform ausgeführt wird. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die in Fig. 26 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a zuerst den Brenngasdruck Pa und den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, die jeweils durch den ersten Drucksensor 36 und den zweiten Drucksensor 711 im Schritt S900 gemessen sind.
  • Die CPU 38a subtrahiert dann den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases vom Brenngasdruck Pa, um eine Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S910 zu berechnen. Die CPU 38a bestimmt anschließend im Schritt S920, ob die Druckdifferenz &Delta;P größer als Null ist oder nicht, und bestimmt im Schritt S930, ob die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als ein vorbestimmter Wert &alpha; (&alpha; ist ein positiver Wert und beträgt z. B. 10 kPa) ist oder nicht. In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S920 verneinend ist, d. h., wenn die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als Null ist, geht das Programm zum Schritt S940 und reguliert die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Öffnungsrichtung um einen vorbestimmten Wert V0 und vermindert dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases. Dies bewirkt, daß die Druckdifferenz &Delta;P größer als Null wird.
  • In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S930 verneinend ist, d. h., wenn die Druckdifferenz &Delta;P größer als der vorbestimmte Wert &alpha; ist, geht das Programm weiter zum Schritt S950, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Schließrichtung um den vorbestimmten Wert V0 zu regulieren, und erhöht dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases. Dies ermöglicht, daß die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als der vorbestimmte Wert &alpha; wird.
  • Nach Ausführung von einem der Schritte S940 oder des Schritts S950 oder nach der bejahenden Aussage in den Schritten S920 und S930, d. h., wenn die Beziehung 0 < &Delta;P &le; &alpha; erfüllt ist, geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases der sechsten Ausführungsform reguliert die Stellung Vc des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases und ermöglicht dadurch, daß die Druckdifferenz &Delta;P, die durch Subtrahieren des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases vom Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs erhalten ist, innerhalb des Bereichs von 0 bis zum vorbestimmten Wert &alpha; gewährleistet ist. Fig. 27 zeigt Kennlinien des Brenngasdrucks Pa und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur unter solchen Bedingungen. Die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, erhöht den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Steigerung der Brennstoffzellentemperatur. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases wird andererseits auf einem gleichbleibenden Wert erhalten, bis die Druckdifferenz &Delta;P zwischen dem Brenngasdruck Pa und dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases gleich dem vorbestimmten Wert &alpha; oder größer als der vorbestimmte Wert &alpha; ist. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases nimmt dann mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur zu, während die Druckdifferenz &Delta;P des vorbestimmten Werts &alpha; erhalten wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, führt der Brennstoffzellengenerator der sechsten Ausführungsform die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus und ermöglicht, daß die Druckdifferenz &Delta;P zwischen dem Brenngasdruck Pa und dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert &alpha; erhalten wird, selbst wenn die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs erhöht. Der Aufbau der sechsten Ausführungsform übt dieselben Wirkungen wie jener der ersten Ausführungsform aus, wie z.B. die Wiederherstellung der Batterieausgangsleistung, und verhindert auf wirkungsvolle Weise, daß die Elektrolytmembran 41 durch die Druckdifferenz &Delta;P beschädigt wird. Die sechste Ausführungsform erhält die Beziehung (1) Pa > Pc und erfordert demgemäß keine große Energie für die Hilfsvorrichtungen zur Druckerzeugung, was zu einer Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads führt.
  • Nachfolgend wird eine siebente Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Brennstoffzellengenerator der siebenten Ausführungsform weist einen übereinstimmenden Hardwareaufbau und einen ähnlichen Softwareaufbau zum Brennstoffzellengenerator der sechsten Ausführungsform auf. Der einzige Unterschied besteht in der Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die durch die CPU 38a der elektronischen Steuereinheit 38 ausgeführt wird.
  • Fig. 28 zeigt ein Ablaufdiagramm der Routine zur Steuerung des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die in der siebenten Ausführungsform ausgeführt wird. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die in Fig. 28 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a in dem Schritt S1000 zuerst den Brenngasdruck Pa und den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, die jeweils durch den ersten Drucksensor 36 und durch den zweiten Drucksensor 711 gemessen sind.
  • Die CPU 38a subtrahiert dann den Brenngasdruck Pa vom Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, um eine Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S1010 zu berechnen. Die CPU 38a bestimmt anschließend im Schritt S1020, ob die Druckdifferenz &Delta;P größer als Null ist oder nicht, und bestimmt im Schritt S1030, ob die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als ein vorbestimmter Wert &alpha; ist oder nicht (&alpha; ist ein positiver Wert und kann mit dem in der sechsten Ausführungsform eingestellten Wert übereinstimmen oder unterschiedlich sein). In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S1020 verneinend ist, d. h., wenn die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als Null ist, geht das Programm zum Schritt S1040, um die Stellung des Rückdruck- Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Schließrichtung um einen vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen. Dies bewirkt, daß die Druckdifferenz &Delta;P größer als Null wird.
  • In dem Fall, daß die Antwort im Schritt S1030 verneinend ist, d. h., wenn die Druckdifferenz &Delta;P größer als der vorbestimmte Wert &alpha; ist, geht das Programm weiter zum Schritt S1050, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Öffnungsrichtung um den vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu vermindern. Dies ermöglicht, daß die Druckdifferenz &Delta;P nicht größer als der vorbestimmte Wert &alpha; wird.
  • Nach Ausführung von einem der Schritte S1040 oder des Schritts S1050 oder nach den bejahenden Aussagen in den Schritten S1020 und S1030, d. h., wenn die Beziehung 0 < &Delta;P &le; &alpha; erfüllt ist, geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases der siebenten Ausführungsform reguliert die Stellung Vc des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases und ermöglicht dadurch, daß die Druckdifferenz &Delta;P, die durch Subtrahieren des Brenngasdrucks Pa vom Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases erhalten ist, innerhalb des Bereichs von 0 bis zum vorbestimmten Wert &alpha; gewährleistet ist. Fig. 29 zeigt Kennlinien des Brenngasdrucks Pa und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur unter solchen Bedingungen. Die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, erhöht den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Steigerung der Brennstoffzellentemperatur. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases wird andererseits auf einem gleichbleibenden Wert bis zu einem Punkt B erhalten, an welchem die Druckdifferenz &Delta;P zwischen dem Brenngasdruck Pa und dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases gleich dem vorbestimmten Wert &alpha; oder größer als der vorbestimmte Wert &alpha; ist. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases nimmt dann mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur entlang der Kurve des Brenngasdrucks Pa zu, während die Druckdifferenz &Delta;P des vorbestimmten Werts &alpha; erhalten wird.
  • Wie vorstehend beschrieben, führt der Brennstoffzellengenerator der siebenten Ausführungsform die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus und ermöglicht, daß der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases größer als der Brenngasdruck Pa erhalten wird und die Druckdifferenz &Delta;P zwischen dem Brenngasdruck Pa und dem Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases gleich oder kleiner als der vorbestimmte Wert &alpha; erhalten wird, selbst wenn die Batterieausgangsleistung-Steuerroutine, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs erhöht. Der Aufbau der siebenten Ausführungsform übt dieselben Wirkungen wie jener der ersten Ausführungsform aus, wie z. B. die Wiederherstellung der Batterieausgangsleistung, und verhindert auf wirkungsvolle Weise, daß die Elektrolytmembran 41 durch die Druckdifferenz &Delta;P beschädigt wird. Die siebente Ausführungsform erhält die Beziehung (3) Pa < Pc und verbessert demgemäß die Feuchtigkeitserhaltung der Elektrolytmembran 41.
  • Nachfolgend wird eine achte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Brennstoffzellengenerator der achten Ausführungsform weist einen übereinstimmenden Hardwareaufbau und einen ähnlichen Softwareaufbau zum Brennstoffzellengenerator der fünften bis siebenten Ausführungsform auf. Der einzige Unterschied besteht in der Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die durch die CPU 38a der elektronischen Steuereinheit 38 ausgeführt wird. Die achte Ausführungsform realisiert den Hardwareaufbau und den Softwareaufbau des Brennstoffzellengenerators 1 der ersten Ausführungsform und führt eine Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases aus, wie nachstehend beschrieben ist.
  • Fig. 30 zeigt ein Ablaufdiagramm der Routine zur Steuerung des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die in der achten Ausführungsform ausgeführt wird. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die in Fig. 30 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a zuerst den Brenngasdruck Pa und den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, die jeweils durch den ersten Drucksensor 36 und durch den zweiten Drucksensor 711 in dem Schritt S1100 gemessen sind.
  • Die CPU 38a subtrahiert dann den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases vom Brenngasdruck Pa, um eine Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S1110 zu berechnen. Die Druckdifferenz &Delta;P wird im Schritt S1120 mit einem vorbestimmten Wert &beta; verglichen (&beta; ist ein positiver Wert und beträgt z. B. 10 kPa). In dem Fall, daß die Druckdifferenz &Delta;P bestimmt ist, daß sie größer als der vorbestimmte Wert &beta; ist, geht das Programm weiter zu dem Schritt S1130, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Schließrichtung um einen vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen. Dies vermindert die Druckdifferenz &Delta;P, daß diese nicht größer als der vorbestimmte Wert &beta; ist.
  • In dem Fall, daß im Schritt S1120 die Drückdifferenz &Delta;P bestimmt ist, daß sie kleiner als der vorbestimmte Wert &beta; ist, geht das Programm andererseits weiter zum Schritt S1140, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Öffnungsrichtung um den vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu vermindern. Dies erhöht die Druckdifferenz &Delta;P, daß diese nicht kleiner als der vorbestimmte Wert &beta; ist. In dem Fall, daß die Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S1120 bestimmt ist, daß sie gleich dem vorbestimmten Wert &beta; ist, geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases der achten Ausführungsform reguliert die Stellung Vc des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases und ermöglicht auf diese Weise, daß die Druckdifferenz &Delta;P, die durch Subtrahieren des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases von dem Brenngasdruck Pa erhalten ist, auf dem vorbestimmten Wert &beta; erhalten wird. Fig. 31 zeigt Kennlinien des Brenngasdrucks Pa und des Gasdrucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur unter solchen Bedingungen. Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Batterieausgangsleistung-Steuerroutine erhöht den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases nimmt andererseits mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur zu, während die Druckdifferenz AP auf dem vorbestimmten Wert &beta; erhalten wird.
  • Der Brennstoffzellengenerator der achten Ausführungsform übt dieselben Wirkungen wie jener der ersten Ausführungsform aus, wie z. B. die Wiederherstellung der Batterieausgangsleistung. Die achte Ausführungsform erhält die Beziehung (1) Pa > Pc und erfordert demgemäß keine große Energie für die Hilfsvorrichtungen zur Druckerzeugung, was zu einer Erhöhung des energetischen Wirkungsgrads führt.
  • Nachfolgend wird eine neunte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Brennstoffzellengenerator der neunten Ausführungsform weist einen übereinstimmenden Hardwareaufbau und einen ähnlichen Softwareaufbau zum Brennstoffzellengenerator der achten Ausführungsform auf. Der einzige Unterschied besteht in der Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die durch die CPU 38a der elektronischen Steuereinheit 38 ausgeführt wird.
  • Fig. 32 zeigt ein Ablaufdiagramm der Routine zur Steuerung des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases, die in der neunten Ausführungsform ausgeführt wird. Diese Steuerroutine wird durch die CPU 38a in vorbestimmten Zeitabständen, z. B. alle 100 ms, wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die in Fig. 32 gezeigte Routine eintritt, liest die CPU 38a zuerst den Brenngasdruck Pa und den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, die jeweils durch den ersten Drucksensor 36 und durch den zweiten Drucksensor 711 in dem Schritt S1200 gemessen sind.
  • Die CPU 38a subtrahiert dann den Brenngasdruck Pa vom Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases, um eine Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S1210 zu berechnen. Die Druckdifferenz &Delta;P wird im Schritt S1220 mit einem vorbestimmten Wert &beta; verglichen (&beta; ist ein positiver Wert und kann mit dem in der achten Ausführungsform eingestellten übereinstimmen oder zu diesem verschieden sein). In dem Fall, daß die Druckdifferenz &Delta;P bestimmt ist, daß sie größer als der vorbestimmte Wert &beta; ist, geht das Programm weiter zu dem Schritt S1230, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Öffnungsrichtung um einen vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen. Dies vermindert die Druckdifferenz &Delta;P, daß diese nicht größer als der vorbestimmte Wert &beta; ist.
  • In dem Fall, daß im Schritt S1220 die Druckdifferenz &Delta;P bestimmt ist, daß sie kleiner als der vorbestimmte Wert &beta; ist, geht das Programm andererseits weiter zum Schritt S1240, um die Stellung des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases in der Schließrichtung um den vorbestimmten Wert V0 zu regulieren und dadurch den Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases zu erhöhen. Dies erhöht die Druckdifferenz &Delta;P, daß diese nicht kleiner als der vorbestimmte Wert &beta; ist. In dem Fall, daß die Druckdifferenz &Delta;P im Schritt S1220 bestimmt ist, daß sie gleich dem vorbestimmten Wert &beta; ist, geht das Programm zu RÜCKSPRUNG und verläßt diese Routine.
  • Die Steuerroutine des Drucks des sauerstoffhaltigen Gases der neunten Ausführungsform reguliert die Stellung Vc des Rückdruck-Regelventils 709 in der Austragleitung 707 des sauerstoffhaltigen Gases und ermöglicht auf diese Weise, daß die Druckdifferenz &Delta;P, die durch Subtrahieren des Brenngasdrucks Pa vom Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases erhalten ist, auf dem vorbestimmten Wert &beta; erhalten wird. Fig. 33 zeigt Kennlinien des Brenngasdrucks Pa und des Drucks Pc des sauerstoffhaltigen Gases, aufgetragen über der Brennstoffzellentemperatur unter solchen Bedingungen. Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Batterieausgangsleistung- Steuerroutine erhöht den Druck Pa des gasförmigen Brennstoffs durch eine Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur. Der Druck Pc des sauerstoffhaltigen Gases nimmt andererseits mit einer Erhöhung der Brennstoffzellentemperatur entlang der Kurve des Brenngasdrucks Pa zu, während die Druckdifferenz LP auf dem vorbestimmten Wert &beta; erhalten wird.
  • Der Brennstoffzellengenerator der neunten Ausführungsform übt dieselben Wirkungen aus wie jener der ersten Ausführungsform, wie z. B. die Wiederherstellung der Batterieausgangsleistung. Die neunte Ausführungsform erhält die Beziehung (3) Pa < Pc und verbessert demgemäß die Feuchtigkeitserhaltung der Elektrolytmembran 41 durch das an der Kathode erzeugte Wasser. Der Brennstoffzellengenerator dieser Ausführungsform erhält die Druckdifferenz &Delta;P zwischen dem gasförmigen Brennstoff und dem sauerstoffhaltigen Gas auf dem vorbestimmten Wert &beta; und erhält somit den Wassergehalt der Elektrolytmembran 41 auf einem gleichbleibenden Wert.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der Kohlenmonoxidsensor 30 für die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung zum Messen der Konzentration von in dem gasförmigen Brennstoff enthaltenen Kohlenmonoxid verwendet und bestimmt den Vergiftungszustand des Katalysators, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration gleich einem vorbestimmten Wert oder größer als ein vorbestimmter Wert ist. Die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung ist jedoch nicht auf den Kohlenmonoxidsensor 30 beschränkt, und Kohlenmonoxidsensoren mit anderem Aufbau, z. B. ein Konstantpotential-Elektrolyt- Kohlenmonoxidsensor, sind ebenfalls anwendbar. Ein anderer möglicher Aufbau, der für die Vergiftungszustand- Detektionsvorrichtung anwendbar ist, detektiert die Temperaturdifferenz zwischen der Einlaufseite und der Auslaufseite des gasförmigen Brennstoffs an der Elektrode und bewertet den Vergiftungszustand des Katalysators auf der Grundlage der Temperaturdifferenz.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird Platin als der Katalysator verwendet, der auf den Anoden in dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet ist. Eine Vielzahl von Platinlegierungen kann ebenfalls als der Katalysator verwendet werden, der auf der Anode 42 angeordnet ist. Die Platinlegierungen umfassen Platin als die erste Komponente und ein Element oder eine Vielzahl von Elementen, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ruthenium, Nickel, Kobalt, Vanadium, Palladium und Indium als die zweite Komponente aufweist. Solche Platinlegierungen gewährleisten dieselben Wirkungen wie die der jeweiligen Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind.
  • Die Methanol-Reformiervorrichtung wird als die Zuführquelle des wasserstoffreichen Gases in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Der Brennstoffzellengenerator kann jedoch mit einer anderen Reformiervorrichtung kombiniert werden, die ein wasserstoffreiches Gas erzeugt. Die verfügbaren Reformiervorrichtungen nehmen Alkohol auf, wie z. B. Methanol und Ethanol, Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Methan, Propan und Butan, oder flüssige Brennstoffe, wie z. B. Benzin oder Leichtöl, als die Materialien der Reformierreaktionen. Die Reformierreaktionen, die in der Reformiervorrichtung ablaufen, schließen die Dampfreformierung, die Teiloxidationsreformierung und eine Kombination dieser ein.
  • Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen weisen nur einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel auf. Der Brennstoffzellengenerator kann jedoch zwei oder mehr Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel aufweisen. In dem letzteren Aufbau weisen die jeweiligen Polymer-Elektrolyt- Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Betriebsbedingungen auf, und es ist somit zu bevorzugen, die Steuerung jeder Ausführungsform für jeden Brennstoffzellenstapel auszuführen.
  • Obgleich die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen aufweisen, ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung ebenfalls auf Phosphatbrennstoffzellen und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen anwendbar, in welchen der Katalysator vergiftet ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen oder deren Abwandlungen beschränkt, die zu Erläuterungszwecken gewählt wurden, sondern es können zahlreiche Änderungen und Abwandlungen am Erfindungsgegenstand vorgenommen werden, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (20)

1. Brennstoffzellengenerator (1; 201; 301; 501; 701), der Brennstoffzellen (10) verwendet, welche eine Zuführmenge eines Reaktionsgases aufnehmen, das einer Elektrode (42) mit einem darauf angeordneten Katalysator zugeführt wird, und durch eine chemische Reaktion des Reaktionsgases eine elektromotorische Kraft erzeugen, wobei der Brennstoffzellengenerator aufweist:
- eine Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung zum Detektieren eines Leistungsrückgangs der Brennstoffzellen,
- eine Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung zum Detektieren eines Vergiftungszustands des Katalysators,
gekennzeichnet durch die Kombination
- einer Temperaturregelvorrichtung, die angepaßt ist, die Temperatur der Brennstoffzellen (10) zu erhöhen, wenn die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung den Vergiftungszustand des Katalysators detektiert und die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung einen Leistungsrückgang der Brennstoffzellen (10) detektiert, und
- eine Gasdruck-Regelvorrichtung, die angepaßt ist, den Druck des der Elektrode zugeführten Reaktionsgases als Reaktion auf die Temperaturregelung durch die Temperaturregelvorrichtung so zu regeln, daß der Partialdampfdruck des Reaktionsgases innerhalb eines vörbestimmten Bereiches gehalten wird.
2. Brennstoffzellengenerator (1; 201; 301; 501; 701) gemäß Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:
- eine Gasausnutzungsverhältnis-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen eines Ausnutzungsgrads des Reaktionsgases in den Brennstoffzellen als ein Gasausnutzungsverhältnis und
- eine Verbotsvorrichtung für den Fall, wenn das durch die Gasausnutzungsverhältnis-Berechnungsvorrichtung berechnete Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist, Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck-Regelvorrichtung verboten werden.
3. Brennstoffzellengenerator (301) gemäß Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:
- eine Impedanzmeßvorrichtung (334) zum Messen einer Impedanz der Brennstoffzellen (10) und
- eine Verbotsvorrichtung für den Fall, wenn die durch die Impedanzmeßvorrichtung gemessene Impedanz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist, Operationen der Temperaturregelvorrichtung und der Gasdruck-Regelvorrichtung verboten werden.
4. Brennstoffzellengenerator (1; 201; 301; 501; 701) gemäß Anspruch 1, wobei die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung aufweist:
- eine Kohlenmonoxidkonzentration-Detektionsvorrichtung (30) zum Beobachten einer Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxids und
- eine Vorrichtung zum Detektieren des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der beobachteten Kohlenmonoxidkonzentration.
5. Brennstoffzellengenerator (1; 201; 301; 501; 701) gemäß Anspruch 4, wobei die Kohlenmonoxidkonzentration-Detektionsvorrichtung (30) aufweist:
- eine Elektrolytmembran (60),
- zwei Elektroden (62; 64), die entlang der Elektrolytmembran (60) angeordnet sind und einen darauf angeordneten Katalysator aufweisen,
- eine Reaktionsgas-Zuführleitung (78) zum Zuführen einer Zuführmenge des Reaktionsgases zu einer der zwei Elektroden (62; 64),
- eine Oxidationsgas-Zuführleitung zum Zuführen einer Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases zu der anderen der zwei Elektroden (62; 64),
- eine Potentialdifferenz-Meßvorrichtung (82) zum Messen einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden (62; 64) unter der Bedingung, daß eine vorbestimmte Last mit den zwei Elektroden verbunden ist, und
- eine Kohlenmonoxidkonzentration-Berechnungsvorrichtung (38) zum Berechnen der Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxids auf der Grundlage der durch die Potentialdifferenz-Meßvorrichtung (82) gemessenen Potentialdifferenz.
6. Brennstoffzellengenerator (501) gemäß Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:
- eine Reformiervorrichtung (16) zum Reformieren von Methanol und zum Herstellen eines wasserstoffreichen Gases als das Reaktionsgas,
- eine Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung (530) zum Beobachten einer Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols und
- eine Reformiervorrichtungsoperation-Steuervorrichtung (38), um dann, wenn die durch die Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung (530) beobachtete Methanolkonzentration nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung einen Rückgang der Leistung der Brennstoffzellen detektiert, die Operation der Reformiervorrichtung (16) zu steuern, wodurch die Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols verringert wird.
7. Brennstoffzellengenerator (501) gemäß Anspruch 6, wobei die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung aufweist:
- eine Elektrolytmembran (60),
- zwei Elektroden (62; 64), die entlang der Elektrolytmembran (60) angeordnet sind und auf denen ein Katalysator angeordnet ist,
- eine Reaktionsgas-Zuführleitung (78) zum Zuführen einer Zuführmenge des Reaktionsgases zu einer der zwei Elektroden,
- eine Oxidationsgas-Zuführleitung zum Zuführen einer Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases zu der anderen der zwei Elektroden,
- eine Potentialdifferenz-Meßvorrichtung (38) zum Messen Einer Potentialdifferenz zwischen den zwei Elektroden (62; 64) und
- eine Lastumschaltvorrichtung zum Umschalten zwischen einem ersten Zustand, in welchem eine vorbestimmte Last zwischer den zwei Elektroden angeschlossen ist, und einem zweiten Zustand, in welchem die vorbestimmte Last von den zwei Elektroden getrennt ist,
wobei die Methanolkonzentration-Detektionsvorrichtung (530) aufweist:
- eine Methanolkonzentration-Berechnungsvorrichtung zum Berechnen der Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols auf der Grundlage der durch die Potentialdifferenz-Meßvorrichtung in dem durch die Lastumschaltvorrichtung ausgewählten zweiten Zustand gemessenen Potentialdifferenz.
8. Brennstoffzellengenerator (501) gemäß Anspruch 7, wobei die Vergiftungszustand-Detektionsvorrichtung ferner aufweist:
- eine Kohlenmonoxidkonzentration-Berechnungsvorrichtung (530) zum Berechnen einer Konzentration von in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxid auf der Grundlage der Potentialdifferenz, die durch die Potentialdifferenz-Meßvorrichtung in dem durch die Lastumschaltvorrichtung ausgewählten ersten Zustand gemessen ist, und
- eine Vorrichtung zum Detektieren des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der berechneten Konzentration von Kohlenmonoxid.
9. Brennstoffzellengenerator (1; 201; 301; 501; 701) gemäß Anspruch 1, wobei jede der Brennstoffzellen (10) aufweist:
- eine Elektrolytmembran (41),
- eine erste Elektrode (42; 43), die in engem Kontakt mit einer Oberfläche der Elektrolytmembran (41) als die Elektrode angeordnet ist, die eine Zuführmenge des Reaktionsgases aufnimmt, und
- eine zweite Elektrode (42; 43), die in engem Kontakt mit der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran (41) angeordnet ist und eine Zuführmenge eines sauerstoffhaltigen Oxidationsgases aufnimmt,
wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:
- eine Oxidationsgas-Druckregelvorrichtung zum Regeln des Drucks des der zweiten Elektrode zugeführten Oxidationsgases, wodurch ermöglicht wird, daß der Druck des Oxidationsgases und der Druck des Reaktionsgases, das der ersten Elektrode zugeführt wird, ein vorbestimmtes Verhältnis erfüllt.
10. Brennstoffzellengenerator gemäß Anspruch 9, wobei das vorbestimmte Verhältnis ermöglicht, daß der Druck des Oxidationsgases und der Druck des Reaktionsgases eine festgelegte Größenordnung einhalten.
11. Brennstoffzellengenerator gemäß Anspruch 9, wobei das vorbestimmte Verhältnis ermöglicht, daß eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidationsgases und dem Druck des Reaktionsgases nicht größer als ein vorbestimmter Wert ist.
12. Brennstoffzellengenerator gemäß Anspruch 9, wobei das vorbestimmte Verhältnis ermöglicht, daß eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidationsgases und dem Druck des Reaktionsgases konstant bleibt.
13. Brennstoffzellengenerator gemäß Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellengenerator ferner aufweist:
- eine Wiederherstellungsvorrichtung, um dann, wenn kein Leistungsrückgang der Brennstoffzellen durch die Leistungsrückgang-Detektionsvorrichtung nach Ausführung der Druckregelung des Reaktionsgases durch die Gasdruck-Regelvorrichtung detektiert ist, die Temperatur der Brennstoffzellen zurückgeführt wird, welche einen Wert vor der Erhöhung durch die Temperaturregelvorrichtung darstellt, und der Druck des Reaktionsgases auf einen ungeregelten Druck des Reaktionsgases zurückgeführt wird, welcher einen Wert vor der Regelung durch die Gasdruck-Regelvorrichtung darstellt.
14. Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mit Brennstoffzellen (10), welche eine Zuführmenge eines Reaktionsgases aufnehmen, das einer Elektrode (42) mit einem darauf angeordneten Katalysator zugeführt wird, und durch eine chemische Reaktion des Reaktionsgases eine elektromotorische Kraft erzeugen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- Detektieren eines Vergiftungszustands des Katalysators, und wenn ein Vergiftungszustand bestimmt ist oder erwartet wird:
- Regeln der Temperatur der Brennstoffzellen auf eine Temperatur, die höher als eine ideale Betriebstemperatur ist, während gleichzeitig erfolgt:
- Regeln des Drucks des der Elektrode zugeführten Reaktionsgases als Reaktion auf die Temperaturregelung, die ausgeführt wird, um zu ermöglichen, daß der Partialdampfdruck des Reaktionsgases innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gehalten wird.
15. Verfahren zum Erzeugen von Elektrizität mit Brennstoffzellen gemäß Anspruch 14, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
(a) Detektieren eines Leistungsrückgangs der Brennstoffzellen (10), und wenn der Vergiftungszustand des Katalysators und ein Leistungsrückgang der Brennstoffzellen (10) detektiert ist, Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzellen, und
(b) Regeln des Drucks des der Elektrode (42) zugeführten Reaktionsgases als Reaktion auf die Temperaturregelung, die ausgeführt wird, um zu ermöglichen; daß der Partialdampfdruck des Reaktionsgases innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Standardbedingungen gehalten wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
(c) Berechnen eines Ausnutzungsgrads des Reaktionsgases in den Brennstoffzellen als ein Gasausnutzungsverhältnis, und
(d) Verbieten von Operationen der Schritte (a) und (b), wenn das in dem vorhergehenden Schritt berechnete Gasausnutzungsverhältnis nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
(c) Messen einer Impedanz der Brennstoffzellen, und
(d) Verbieten von Operationen der Schritte (a) und (b), wenn die in dem Schritt (c) gemessene Impedanz außerhalb eines vorbestimmten Bereichs ist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Schritt des Detektierens eines Leistungsrückgangs der Brennstoffzellen die Schritte aufweist:
- Beobachten einer Konzentration von in dem Reaktionsgas enthaltenen Kohlenmonoxid, und
- Detektieren des Vergiftungszustands des Katalysators auf der Grundlage der beobachteten Kohlenmonoxidkonzentration.
19. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
(c) Reformieren von Methanol und Herstellen eines wasserstoffreichen Gases als das Reaktionsgas,
(d) Beobachten einer Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols, und
(e) Steuern der Operation des Schritts (c), um dadurch die Konzentration des in dem Reaktionsgas enthaltenen Methanols zu vermindern,
- wenn die in dem Schritt (d) beobachtete Methanolkonzentration nicht kleiner als ein vorbestimmter Wert ist und ein Leistungsrückgang der Brennstoffzellen erfaßt ist.
20. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist,
wenn kein Leistungsrückgang der Brennstoffzellen nach Ausführung der Druckregelung des Reaktionsgases detektiert wird:
- Rückführen der Temperatur der Brennstoffzellen auf eine ungeregelte Temperatur der Brennstoffzellen, welche einen 'Wert vor der Erhöhung in dem Schritt (&alpha;) darstellt, und
- Rückführen des Drucks des Reaktionsgases auf einen ungeregelten Druck des Reaktionsgases, welcher einen Wert vor der Regelung des Reaktionsgases darstellt.
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