DE10057804A1

DE10057804A1 - Steuerungssystem für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE10057804A1
Application number: DE10057804A
Authority: DE
Inventors: Kiyomi Nagamiya; Masashi Yamashita; Iwao Maeda; Masaaki Yamaoka; Seiji Mizuno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2020-11-23
Also published as: US6562501B1; DE10057804B4; JP4379987B2; JP2001155752A

Abstract

Beschrieben wird ein Steuerungssystem (Fig. 3) für eine Brennstoffzelle (2, 3, 4), um aufgrund einer Reaktion eines Brenngases und eines oxydierenden Gases elektrische Energie abzugeben. Das Steuerungssystem enthält einen Feuchtigkeitsregler (10), um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu verringern, wenn der Druck in der Brennstoffzelle hoch ist, und um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der Druck in der Brennstoffzelle niedrig ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerungssy stem für eine Brennstoffzelle, mit der elektrische Lei stung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt wird, und insbe sondere ein System zur Steuerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle.

Stand der Technik

Brennstoffzellen vom Typ mit polymerelektrolytischen Filmen oder mit Phosporsäure müssen von außen mit Wasser versorgt werden, um die elektrische Leitfähigkeit oder die Aktivität des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Um den elektrischen Widerstand der Elektroden zu verringern, muss die Brennstoffzelle in feuchtem Zustand gehalten werden. Beispielsweise werden bisherige Brennstoffzellen mit polymer-elektrolytischem Film, wie einem ionenaus tauschenden Film, befeuchtet, indem sie mit einem Brenn gas (z. B. ein Wasserstoffgas) und einem oxydierenden Gas (z. B. Luft), das Wasser enthält, versorgt werden, um die elektrische Leitfähigkeit des elektrolytischen Films zu erhöhen und den elektrischen Widerstand der einzelnen Elektroden zu verringern.

Die Befeuchtung sollte so hoch wie möglich sein, um die elektrische Leitfähigkeit oder die elektrischen Wi derstände zu optimieren. Wird die Wasserversorgung jedoch so stark überschüssig, daß sich im Elektrolyten oder an der Elektrode Wassertropfen bilden, wird die Reaktion des Gases behindert, was zu einem Leistungsabfall der Zelle führt. Andererseits können sich die Wasserstoffionen (oder Protonen), die durch den Elektrolytfilm gedrungen sind, mit den Elektronen auf der Kathodenseite vereini gen, was dazu führt, dass sich Wasserstoffgas mit der Luft vermischt. Daher ist die Befeuchtung durch das Ver hindern des Überflutens und des damit einhergehenden Lei stungsabfalls begrenzt. Es ist allgemein üblich, die Be feuchtung der Zelle nicht nur auf Basis eines voreinge stellten Zielwertes, sondern auch auf Basis des elektri schen Widerstands oder der ermittelten Leistung zu steu ern.

In der Erfindung gemäß japanischer Patentveröffentli chung Nr. 10-255828 wird im Gegensatz dazu die Befeuch tung durchgeführt, indem die Einspritzrate von reinem Wasser in das Versorgungsgas auf Basis der Strömungsrate und Temperatur des Versorgungsgases, der Temperatur des reinen Wassers, der Belastung der Zelle und der Innentem peratur der Zelle gesteuert wird.

In der bereits erwähnten Brennstoffzelle vom Festpo lymerfilmtyp setzt sich zum Beispiel das Wasser zur Ver sorgung des Elektrolyten und der einzelnen Elektroden aus dem mit den Gasen bereitgestellten, dem durch Diffusion aufgrund der Feuchtigkeitsdifferenz hinzugekommenen und dem durch die Reaktion erzeugten Wasser zusammen. Im Ge gensatz dazu ist das zu entsorgende Wasser das gemeinsam mit den Gasen ausströmende Wasser. Nach der oben genann ten Veröffentlichung wird der Wasserzufluss auf Basis der Strömungsrate des Versorgungsgases, der Temperatur des reinen Wassers, der Belastung der Zelle und der Innentem peratur der Zelle gesteuert. So wird das Wasservolumen gesteuert, das zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigt wird. Zusätzlich zu dieser Steuerung verhindert die oben genannte Erfindung andererseits, dass die Wasserversor gung so überschüssig wird, dass der Tau kondensiert, in dem die Wasserversorgung auf Grundlage der Temperatur des Versorgungsgases gesteuert wird.

Im Betriebszustand der Brennstoffzelle finden Wasser ver- und -entsorgung gleichzeitig statt. In der obenge nannten Druckschrift wird jedoch nur die Wasserversorgung kontrolliert, aber die Wasserentsorgung zusammen mit dem Gasüberschuß wird nicht kontrolliert. In anderen Worten, die Situation im Innern der Brennstoffzelle wird nicht unbedingt präzise durch die Befeuchtungssteuerung erfaßt und es kann dort zu trocken oder zu naß werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zu steuern und dabei die Situa tion im Innern der Zelle präziser wiederzugeben.

Gemäß der Erfindung wird ein Steuerungssystem für ei ne Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidati onsgas vorgestellt, das Folgendes umfaßt:

Ein Mittel zur Steuerung der Befeuchtung, um die Be feuchtung der Brennstoffzelle zu verringern, wenn der Druck in der Brennstoffzelle hoch ist und um die Befeuch tung der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der Druck in der Brennstoffzelle gering ist.

Wenn der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle hoch ist, weil der interne Druck hoch ist und wenn Was serknappheit durch die Wasserentsorgung mit dem Gas nicht zu befürchten ist, wird nach dem erfindungsgemäßen Steue rungssystem die Frischwasserversorgung oder Befeuchtung der Brennstoffzelle verringert, um einen zu großen Was sergehalt zu verhindern. Wenn der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle niedrig ist, weil der interne Druck niedrig ist und wenn die Wasserknappheit leicht durch den Wasserabfluß mit dem ausgestoßenen Gas verur sacht werden könnte, wird andererseits die Frischwasser zufuhr oder Befeuchtung der Brennstoffzelle erhöht, um Wasserknappheit zu verhindern.

Ein Steuerungssystem, das Mittel zur Steuerung der Feuchtigkeit enthält, um die Befeuchtung für jeden Be triebszustand auf der Basis eines physikalischen Modells der zu steuernden Brennstoffzelle, für das ein Wasseraus gleich vorab festgelegt wurde, zu bestimmen.

Darüber hinaus kann das Steuerungssystem der Erfin dung weiterhin enthalten:
Möglichkeiten, den Innenwiderstand der Brennstoffzel le zu ermitteln;
und Möglichkeiten, die Feuchtigkeit zu korrigieren, wobei der Betriebszustand durch Überprüfen des ermittel ten Innenwiderstands wiedergegeben wird.

Außerdem kann das Steuerungssystem enthalten:
ein erstes Mittel zur Korrektur der Befeuchtung ent sprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgeleg ten Befeuchtung auf Basis des vom Mittel zur Erkennung des internen Widerstands ermittelten inneren Widerstands;
Mittel zur Erkennung der Eingangsdrücke, mit denen die Drücke in den Zuflüssen der Gase, die der Brennstoff zelle zugeführt werden, erkannt werden können; und
ein zweites Mittel zur Korrektur der Befeuchtung ent sprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgeleg ten Befeuchtung auf Basis der von den Mitteln zur Erken nung der Eingangsdrücke ermittelten Eingangsdrücke.

Das oben genannte physikalische Modell dient dazu, folgende Einstellungen vorzugeben:
Befeuchtung einer Anode in der Brennstoffzelle in ei ner Menge, die berechnet wird, indem das Volumen des Was sers, das mit den Ladungen zur Seite einer Kathode wan dert und das Volumen des Wassers, das zusammen mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, addiert wird, und indem weiterhin das Volumen des Wassers, das aufgrund der Tem peraturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, abgezogen wird; und
Befeuchtung einer Kathode in einer Menge, die berech net wird, indem das Volumen des Wassers, das durch eine Reaktion unter Leistungsabgabe gebildet wird, und das Vo lumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Kathodenseite wandert, von dem Volumen des Wassers, das gemeinsam mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, abgezogen wird, und weiterhin indem das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, hinzugezählt wird.

Zusätzlich berechnet das physikalische Modell folgen des:
Eine Befeuchtung der Anode der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Anode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des Brenngases am ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Anzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit ei ner Ladung wandern; sowie
eine Befeuchtung der Kathode der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Kathode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des oxydierenden Gases im ausgestoßenen Gas, der Faraday- Konstante und der Anzahl der Wassermoleküle, die gemein sam mit einer Ladung wandern.

Im so aufgebauten Steuerungssystem ist es möglich, die Feuchtigkeit präziser an den Betriebszustand der Brennstoffzelle anzupassen, ohne den internen Widerstand zu erhöhen, so dass die Arbeitsleistung der Brennstoff zelle höher wird.

Ein Vorteil der Erfindung ist es, ein Steuerungssy stem bereitzustellen, das es ermöglicht, stabil eine hohe Leistung zu erzeugen.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle bei höherem Innendruck größer wird und eine Wasserknappheit durch Wasserabfuhr mittels des ausgestoßenen Gases erschwert, während sich der absolute Wassergehalt bei geringerem In nendruck verringert und eine Wasserknappheit durch das mit dem ausgestoßenen Gas abgeführte Wasser leichter mög lich wird. Daher ist die Erfindung dadurch gekennzeich net, daß sie den Druck in der Brennstoffzelle als Kon trollparameter für die Befeuchtung verwendet.

Gemäß dem so aufgebauten Steuerungssystem wird nur wenig Gas mit dem darin enthaltenen Wasser in die Brenn stoffzelle kommen, wenn der Druck des Gases in der Brenn stoffzelle hoch ist. Da die Befeuchtung auf Grundlage des Eingangsdrucks korrigiert wird, ist es jedoch möglich, eine zu geringe Feuchtigkeit zu vermeiden, selbst wenn kaum Gas in die Brennstoffzelle eintritt und ebenso eine zu hohe Feuchtigkeit, selbst wenn das Gas leicht hinein gelangt.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vor liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, um ein Beispiel einer Steuerung durch ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem zu erklären;

Fig. 2 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehungen zwischen einem befeuchtenden Wasservolumen in einem Feuchtigkeitsregler und der Steuerspannung veran schaulicht; und

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen kompletten Aufbau einer Brennstoffzelle und der zugehöri gen Steuerungseinheit zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Die Erfindung wird in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Fig. 3 zeigt schematisch einen einzelnen Block (oder eine einzelne Zelle) einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. An einen festen Elektrolyten 2 werden eine Anode (oder Brennstoffelektrode) 3 und eine Kathode (oder Luftelektrode) 4 angebracht. Kurz gesagt, der feste Elektrolyt 2 besteht aus einem ionendurchlässigen Stoff, beispielsweise aus einem für Protonen durchlässigen Poly merfilm. Andererseits sind die einzelnen Elektroden 3 und 4 so aufgebaut, daß ein Kollektor auf einer porösen Schicht, die aus wasserabstoßenden und katalytischen Teilchen besteht, gehalten wird.

Mit der Seite der Anode 3 wird außerdem ein Brenngas durchlass 5 verbunden, an den ein Reformer 6 als ein Bei spiel einer Brenngasversorgungsquelle angeschlossen ist. Dieser Reformer 6 ist eine Einheit, um wasserstoffange reichertes reformiertes Gas durch eine Reaktion aus Koh lenwasserstoffen wie Methanol zu erzeugen. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird daher das reformierte Gas als Brenngas verwendet. Andererseits ist der Reformer 6 so aufgebaut, dass er mehr Dampf bereitstellt, als für die Reformierungsreaktion nötig ist und dadurch das re formierte Gas angemessen befeuchtet.

Ein Drucksensor 7 ist bereitgestellt, um den Druck im Brenngasdurchlass 5 zu erfassen. Dieser Drucksensor 7 ist so aufgebaut, dass er den Druck auf der Seite der Anode 3 als Durchschnitt zwischen dem Druck auf der Eingangsseite und dem Druck auf der Ausgangsseite des Brenngasdurchlas ses 5 erfasst.

Auf der Seite der Kathode 4 wird andererseits ein Gasdurchlass 8 für das oxidierende Gas aufgebaut, mit dem als Beispiel eine Luftpumpe 9 verbunden ist, um Luft als oxidierendes Gas zuzuführen. Zwischen der Luftpumpe 9 und dem Durchlass 8 für das oxidierende Gas ist ein Feuchtig keitsregler 10 zur Befeuchtung der Luft eingebaut. Wei terhin ist ein Drucksensor 11 bereitgestellt, um den Druck im Durchlass 8 für das oxidierende Gas zu erfassen. Dieser Drucksensor 11 ist so aufgebaut, dass er den Druck auf der Seite der Kathode 4 als Durchschnitt zwischen dem Druck auf der Eingangsseite und dem Druck auf der Aus gangsseite des Durchlasses 8 für das oxidierende Gas er fasst.

Mit der erwähnten Brennstoffzelle 1 wird eine geeig nete externe Last 12 wie beispielsweise ein Motor verbun den. In diesem Stromkreis werden ein Spannungsmeßgerät 13 und ein Strommeßgerät 14 bereitgestellt. Weiterhin werden ein Widerstandsmeßgerät 15 zur Bestimmung des Widerstands der Brennstoffzelle 1 und ein Temperaturfühler 16 zur Temperaturmessung bereitgestellt. Außerdem wird ein Steu ergerät (External Control Unit, ECU) 17 bereitgestellt, um eine Befeuchtung zu steuern, indem Berechnungen auf der Basis der von den vorgenannten einzelnen Sensoren 7, 11, 13, 14, 15 und 16 und anderen nicht gezeigten Senso ren erfassten Daten durchgeführt werden.

In der soweit beschriebenen Brennstoffzelle 1 erzeu gen die folgenden Reaktionen eine elektromotorische Kraft, wobei das wasserstoffangereicherte reformierte Gas als Brenngas und der Sauerstoff der Luft als oxidierendes Gas genutzt wird. Auf der Seite der Anode 3 erzeugt die folgende Reaktion emittierte Elektronen:

H₂ → 2H⁺ + 2e^-.

Auf der Seite der Kathode 4 erzeugt die folgende Re aktion Wasser:

2H⁺ + 1/2 O₂ + 2e^- → H₂O.

Die einzelnen Elektroden 3 und 4 und der feste Elek trolyt 2 werden durch das erzeugte Wasser und das mit den einzelnen Gasen zugeführte Wasser im feuchten Zustand ge halten. Andererseits dringt der Wasserinhalt entsprechend der Elektrizitätserzeugung nach außen und wird mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt. In der erfindungsgemäßen Steuerungseinheit 17 wird daher die Befeuchtung (oder das für die Befeuchtung benötigte Wasservolumen) festgelegt, wie in Fig. 1 gezeigt.

Insbesondere kann das Verhalten des Wassers in der Brennstoffzelle 1 in folgender Weise analysiert werden, so daß das Volumen des für die Befeuchtung verwendeten Wassers entsprechend der jeweiligen Betriebszustände (im Schritt S1) auf Basis des physikalischen Modells der Brennstoffzelle 1 festgelegt wird. Als erstes wird das Volumen des befeuchtenden Wassers W_ain (mol/Sek.) auf der Seite der Anode 3 durch Addieren des Volumens W_aout (mol/Sek.) des zusammen mit dem überschüssigen Gas abzu führenden Wassers mit dem Volumen des durch die Wanderung von Protonen (oder Ladungen) von der Seite der Anode 3 zur Seite der Kathode 4 wandernden Wassers (oder dem Vo lumens des abgesaugten Wassers, "drag water volume") W_drag (mol/Sek.) und durch Subtrahieren des Volumens W_backdif (mol/Sek.) des von der Seite der Kathode 4 zu der Seite der Anode 3 dringenden Wassers (oder des Volumens des zurückdiffundierenden Wassers) von dieser Summe be rechnet. Dies ergibt:

W_ain = (W_aout + W_drag) - W_backdif (1).

Andererseits wird das befeuchtende Wasservolumen W_cin (mol/Sek.) errechnet, indem die Wassererzeugungsrate W_gen (mol/Sek.) der Reaktion und das Wasservolumen W_drag (mol/Sek.), das zugeführt werden muß, um die Wanderung der Protonen (oder Ladungen) auszugleichen, von dem Was servolumen W_cout (mol/Sek.), das zusammen mit der ausge stoßenen Luft abgeführt wird, abgezogen wird, und das Wasservolumen W_backdif (mol/Sek.), das als zurückdiffundie rendes Wasservolumen verlorengeht, zu dieser Differenz addiert wird. Dies ergibt:

W_cin = (W_cout - W_gen - W_drag) + W_backdif (2).

In den Formeln (1) und (2) werden die Wasservolumina W_aout (mol/Sek.) und W_cout, die mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt werden, die Rate W_gen (mol/Sek.) des durch die Reaktion erzeugten Wassers und der Ausgleich (W_drag - W_backdif) (mol/Sek.) zwischen dem abgesaugten Wasservolu men W_drag (mol/Sek.) und dem zurückdiffundierenden Was servolumen W_backdif (mol/Sek.) unter Nutzung des Faraday schen Gesetzes durch die Formeln (3) und (4) angenähert:

W_ain = W_aout + (W_drag - W_backdif)
= {P_cs/(P_a - P_cs)}
× {A × I × st_a/(2 × F) - A × I/(2 × F)}
+ (A × I)/(2 × F) × 2 × n (3);

und

W_cin = W_cout - (W_drag - W_backdif) - W_gen
= {P_cs/(P_c - P_cs)}
× {A × I × 5 × st_c/(4 × F) - A × I/(4 × F)}
- (A × I)/(2 × F) × 2 × n
- A × I/(2 × F) (4).

In diesen Formeln (3) und (4) bedeuten:
P_cs der Druck (ata) des gesättigten Wasserdampfs bei der Temperatur der Brennstoffzelle 1; P_a der Druck (ata) auf der Seite der Anode 3; A die Fläche (cm²) der Elek troden; I der Wert des Stroms (A/cm²), st_a der Prozent satz des Ausstoßes (oder die Stöchiometrie der Anode) des Wasserstoffgases; F die Faraday-Konstante (A * Sek./mol); n die Anzahl der wandernden Wassermoleküle aus der Ge samtsumme des zurückdiffundierenden und des abgesaugten Wassers pro Proton; P_c der Druck (ata) auf der Seite der Kathode 4; und st_c der Prozentsatz des Ausstoßes (oder die Stöchiometrie der Kathode) des Sauerstoffgases.

Wenn man die von den einzelnen Sensoren 7, 11, 13, 14, 15 und 16 gewonnenen Daten und die aktuellen Werte der Temperatur der Brennstoffzelle 1, der einzelnen Drücke an den Elektroden 3 und 4 und die prozentualen Anteile der einzelnen Gase am Gasausstoß im Betriebszustand in die Formeln (3) und (4) einsetzt, ist es somit möglich, die theoretischen Werte für das befeuchtende Wasservolumen W_ain des Brenngases und die theoretischen Werte für das befeuchtende Wasservolumen W_cin des Oxidationsgases zu bestimmen. Für diese Festlegungen werden die jeweiligen Drücke auf den Seiten der Elektroden 3 und 4 als Parame ter für die Berechnung der befeuchtenden Wasservolumina genommen, und diese befeuchtenden Wasservolumina werden bei hohen Drücken verringert und bei niedrigen Drücken erhöht, so daß die Befeuchtungen in einer Weise durchge führt werden, die die interne Situation der Brennstoff zelle 1 genauer widerspiegelt.

Wie bereits oben beschrieben, übt der Wassergehalt in der Brennstoffzelle einen so wichtigen Einfluß auf den Widerstand aus, dass sich der Widerstand erhöht, wenn der Wassergehalt fällt. Da der Widerstand tatsächlich gemes sen werden kann, wird darüber hinaus der Wert, der auf Basis des bereits erwähnten physikalischen Modells fest gelegt wurde, mit dem Widerstand (im Schritt S2) korri giert. Formeln zur Korrektur der befeuchtenden Wasservo lumina W_ain und W_cin auf der Grundlage eines gemessenen Widerstands R_fc werden beispielhaft in (5) und (6) aufge führt:

W_ain' = W_ain + K_pa × (RefR_fc - R_fc)
+ K_ia × Σ(RefR_fc - R_fc) (5);

und

W_cin' = W_cin + K_pc × (RefR_fc - R_fc)
+ K_ic × Σ(RefR_fc - R_fc) (6).

Für diese Formeln gilt: RefR_fc ist der Zielwider stand; K_pa, K_ia, K_pc und K_ic sind die vorher festgelegten Steuerungsparameter und Σ(RefR_fc - R_fc) ist die Summe der Abweichungen zwischen den gemessenen Widerstandswerten und den Zielwiderstandswerten. Diese Korrektur der be feuchtenden Wasservolumina auf Basis der physikalischen Größen in der Brennstoffzelle 1 ermöglicht es, die Be feuchtungen so durchzuführen, dass sie genauer an die in ternen Situationen der Brennstoffzelle 1 angepasst wer den.

Hier ist der Feuchtigkeitsregler 10, der der zuge führten Luft oder dem oxydierenden Gas Wasser zuführt, beispielhaft als ein Befeuchter des Typs ausgeführt, der die Abgabe entsprechend der elektrischen Spannung erhöht, so dass das befeuchtende Wasservolumen im wesentlichen proportional zur Spannung ist, wie durch die charakteri stischen Funktionsgraphen in Fig. 2 gezeigt wird.

Wird das befeuchtende Wasser andererseits vom Feuch tigkeitsregler 10 abgegeben, wird die relative Abgabe aufgrund des höheren Drucks im Durchlass für das oxidie rende Gas 8 niedriger. Um das befeuchtende Wasser ent sprechend der Zielrate abzugeben, muß daher die Steuer spannung entsprechend der Drucksteigerung im Durchlass 8 für oxidierendes Gas erhöht werden. Diese Korrektur ent sprechend dem Druck wird speziell auf der Basis des Ein gangsdrucks im Durchlass 8 für oxidierendes Gas (im Schritt S3) durchgeführt. Für den höheren Eingangsdruck wird im speziellen die Steuerspannung auf Grundlage des charakteristischen Graphen mit größerer proportionaler Konstante (oder stärkerer Steigung) in Fig. 2 angepasst. Da man so die Korrektur auf Basis des inneren Drucks macht, ist es möglich, die Befeuchtung so zu beeinflus sen, dass sie genauer an die internen Situationen in der Brennstoffzelle 1 angepasst wird.

Dann wird der so ermittelte Steuerwert ausgegeben (im Schritt S4). An den Feuchtigkeitsregler 10 wird genauer gesagt die Steuerspannung ausgegeben, die zuvor entspre chend des Eingangsdrucks korrigiert wurde. Um die Seite der Anode 3 zu befeuchten, wird andererseits das Verhält nis des Wasserdampfvolumens zur Menge des Kohlenstoffs S/C im Reformer 6 entsprechend dem berechneten Volumen des befeuchtenden Wassers verändert.

Im folgenden werden die Verbindungen zwischen der bisher dargelegten speziellen Ausführungsform und der Er findung beschrieben.

Das funktionelle Mittel, um die vorgenannte Steuerung des Schrittes S1 durchzuführen, entspricht der erfin dungsgemäßen Steuerung des Feuchtigkeitsreglers; das vor genannte Widerstandsmeßgerät 15 entspricht erfindungsge mäß einem Mittel, um den internen Widerstand zu messen; das vorgenannte funktionelle Mittel, um die Steuerung des Schritts S2 durchzuführen, entspricht dem erfindungsgemä ßen ersten Feuchtigkeitsregler; der vorgenannte Drucksen sor 11 entspricht erfindungsgemäß einem Eingangsdruckmeß mittel; und das vorgenannte funktionelle Mittel, um die Steuerung von Schritt S3 durchzuführen, entspricht erfin dungsgemäß dem zweiten Feuchtigkeitsregler.

Hier wurde die vorgenannte spezifische Ausführung beispielhaft an einer Brennstoffzelle mit einem polymere lektrolytischen Film beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf diese spezielle Ausführungsform begrenzt. Kurz gesagt, die Erfindung kann auf ein Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle, die befeuchtet werden muß, ange wandt werden. Andererseits ist auch die Brennstoffzelle an sich nicht auf den Typ beschränkt, der wasserstoffan gereichertes modifiziertes Gas oder Luft verwendet, son dern kann auch anhand eines Typs, der andere geeignete Gase nutzt, erläutert werden. Daher kann das physikali sche Modell in der Erfindung als idealisierte Brennstoff zelle gesetzt werden.

Im folgenden werden die Vorzüge der Erfindung be schrieben. Gemäß der Erfindung wird das befeuchtende Was servolumen auf Basis des Drucks im Inneren der Brenn stoffzelle so festgelegt, dass es verringert wird, wenn der Druck so groß ist, dass ein geringerer Wassergehalt mit dem ausgestoßenen Gas ausgebracht wird, aber erhöht wird, wenn der Druck so gering ist, dass ein höherer Was sergehalt vom ausgestoßenen Gas abgeführt wird. Als Er gebnis kann die Befeuchtung der Brennstoffzelle unter Be rücksichtigung des Betriebszustands genauer durchgeführt werden, so dass eine höhere Leistung stabil erbracht wer den kann.

Gemäß der Erfindung wird andererseits das Volumen des zur Befeuchtung verwendeten Wassers auf Basis des inneren Widerstands, der direkt mit dem Wassergehalt in der Brennstoffzelle korreliert, korrigiert. Als Ergebnis kann verhindert werden, dass der Wassergehalt in der Brenn stoffzelle zu gering oder zu hoch wird, so daß die Genau igkeit der Steuerung des Wassergehalts im Elektrolyten oder in den Elektroden erhöht werden kann, um die hohe Leistung stabil zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird außerdem das Volumen des zur Befeuchtung verwendeten Wassers auf Basis des Eingangs drucks der Brennstoffzelle korrigiert, so daß die Be feuchtung genau entsprechend der aktuellen Situation der Brennstoffzelle durchgeführt werden kann. Auch in dieser Beziehung kann die hohe Leistung stabil erzeugt werden, da die Befeuchtung weder zu gering noch zu stark werden kann.

Zusammenfassend wurde somit ein Steuerungssystem (Fig. 3) für eine Brennstoffzelle (2, 3, 4) beschrieben, um aufgrund einer Reaktion eines Brenngases und eines oxydierenden Gases elektrische Energie abzugeben. Das Steuerungssystem enthält einen Feuchtigkeitsregler (10), um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu verringern, wenn der Druck in der Brennstoffzelle hoch ist, und um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der Druck in der Brennstoffzelle niedrig ist.

Claims

1. Ein Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle (1), die elektrische Energie aufgrund einer Reaktion zwischen einem Brenngas und einem oxydierenden Gas erzeugt, gekennzeichnet durch ein Mittel (10, 17) zur Steuerung der Befeuchtung, um die Befeuchtung der Brennstoffzelle zu verringern, wenn der Druck in der Brennstoffzelle hoch ist und um die Befeuchtung der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der Druck in der Brennstoffzelle gering ist.

2. Steuerungssystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Steuerung der Befeuchtung Mittel enthält, um die Befeuchtung für jeden Betriebszustand auf der Basis eines physikalischen Modells der zu steuernden Brennstoffzelle, für das ein Wasserausgleich vorab festgelegt wurde, zu bestimmen.

3. Steuerungssystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin enthält:
Mittel (15) zur Erkennung des internen Widerstands der Brennstoffzelle; und
ein erstes Mittel zur Korrektur der Befeuchtung (17) entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf Basis des vom Mittel zur Erkennung des internen Widerstands ermittelten inneren Widerstands.

4. Steuerungssystem gemäß Anspruch 2 oder 3, weiterhin gekennzeichnet durch:
Mittel (7) zur Erkennung des Eingangsdrucks, mit denen die Drücke in den Zuflüssen der Gase, die der Brenn stoffzelle zugeführt werden, erkannt werden können; und
ein zweites Mittel zur Korrektur der Befeuchtung (17) entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf Basis der von dem Mittel zur Erkennung der Eingangsdrücke ermittelten Eingangsdrücke.

5. Steuerungssystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell folgende Einstellungen vorgibt:
Befeuchtung einer Anode (3) in der Brennstoffzelle in einer Menge, die berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Seite einer Kathode (4) wandert und das Volumen des Wassers, das zusammen mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, addiert wird, und indem weiterhin das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, abgezogen wird; und
Befeuchtung einer Kathode in einer Menge, die berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das durch eine Reaktion unter Leistungsabgabe gebildet wird, und das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Kathodenseite wandert, von dem Volumen des Wassers, das gemeinsam mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, abgezogen wird, und weiterhin indem das Volumen des Was sers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, hinzugezählt wird.

6. Steuerungssystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell folgendes berechnet:
Befeuchtung der Anode (3) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Anode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des Brenngases am ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Anzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern; sowie
Befeuchtung der Kathode (4) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Kathode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des oxydierenden Gases im ausgestoßenen Gas, der Faraday- Konstante und der Anzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern.