DE10334405A1

DE10334405A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10334405A1
Application number: DE10334405A
Authority: DE
Inventors: Tomonori Kariya Imamura; Akimasa Kariya Osaki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: US7122263B2; DE10334405B4; JP4745603B2; JP2004127914A; US20040038098A1

Abstract

Es ist ein Brennstoffzellensystem realisiert, welches dazu befähigt ist, einen Abfall der Leistung zu verhindern, die ihren Ursprung im Vorhandensein von Wasser an einem Elektrodenabschnitt hat oder ihren Ursprung in der Knappheit eines Wassergehaltes in einer Elektrolytmembran hat. Das System ist mit einem Luftdruckregulierventil ausgerüstet, um den Druck von Luft einzustellen, die einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, und mit einem Wasserstoffdruckregulierventil ausgestattet, um den Druck des Wasserstoffes einzustellen. Bei diesem System wird die Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck und dem Wasserstoffdruck vermittels der Regulierventile in solcher Weise gesteuert, daß ein minimaler Wasserstoffdruck höher wird als ein maximaler Luftdruck, oder in solcher Weise gesteuert, daß ein minimaler Luftdruck höher wird als ein maximaler Wasserstoffdruck.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die dafür ausgebildet ist, um elektrische Energie vermittels elektrochemischer Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, und die effektiv bei Generatoren für beispielsweise bewegbare Fahrzeuge und Schiffe, für tragbare Generatoren oder als Heimservice-Generatoren anwendbar ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der dafür eingerichtet ist, um elektrische Energie vermittels elektrochemischer Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, bewirkt ein Mangel an Wassergehalt einer Festkörper-Elektrolytmembran oder -films einen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten, so daß der Widerstand des Elektrolyten erhöht wird, was zu einer Abnahme in der Zellenleistung führt.

Zusätzlich bei einem Fall, bei dem übermäßig viel Wasser an den Elektrodenabschnitten einer Brennstoffelektrode oder eine Luftelektrode vorhanden ist, tritt eine Behinderung der elektrochemischen Reaktion an den Elektrodenoberflächen auf, so daß dadurch die Zellenleistung reduziert wird.

Speziell in einem Fall des Brennstoffzellensystems, welches dafür ausgelegt ist, den Brennstoffnützlichkeitsfaktor zu erhöhen, wird in den meisten Fällen der Wasserstoff, der in einer Brennstoffzelle nicht verwendet wurde, erneut zugeführt oder es wird die Auslaßseite eines Brennstoffkanals geschlossen, um die Emission von Wasserstoff zu verhindern. Auf der anderen Seite wird in dem Systembetrieb die Auslaßseite eines Luftkanals allgemein in einen offenen Zustand versetzt. Demzufolge diffundiert Wasser von einer Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoff elektrodenseite hin und das diffundierte Wasser neigt dazu, sich zu sammeln, so daß Wasser in übermäßiger Menge auf der Brennstoffelektrodenseite vorhanden sein kann.

Obwohl die Wasseransammlung oder Vorhandensein desselben um die Brennstoffelektrode herum in einer solchen Weise verhinderbar ist, daß die Brennstoffelektrode oder ein Ventil oder ähnliches in dem Brennstoffkanal vorgesehen wird und geöffnet wird, um das Wasser daraus abzulassen, und damit ein Abfall der Leistung vermeidbar ist, wird Wasserstoff in die Atmosphäre während des Spülvorganges oder Ablaßvorganges emittiert, was eine Absenkung des Brennstoffwirkungsgrades und der Sicherheit zur Folge hat.

Aus diesen Gesichtspunkten ergibt sich der Bedarf zu verhindern, daß Wasser an Elektrodenabschnitten vorhanden ist, und zwar unter richtiger Aufrechterhaltung des Wassergehaltes der Elektrolytmembran.

In diesem Zusammenhang offenbart die japanische Offenlegungsschrift Nr. HEI-11-191423 ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Wasserzufuhrmenge zu einem Oxidiergas und zu einem Brennstoffgas in Einklang mit der Eigenschaft einer Brennstoffzelle gesteuert wird, um den Wassergehalt einer Elektrolytmembran einzustellen. Es ergibt sich dabei ein Problem mit dem System, welches in dem zuvor angesprochenen Dokument offenbart ist, welches dafür ausgelegt ist, um die Wasserzufuhrmenge zu dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas zu steuern, wobei jedoch eine Schwierigkeit darin gegeben ist, zu verhindern, daß Wasser an den Elektrodenabschnitten in übermäßiger Menge auftritt, und zwar unter Aufrechterhaltung eines richtigen Wassergehaltes der Elektrolytmembran, oder daß sich Schwierigkeiten einstellen, wenn die Elektrolytmembran schnell befeuchtet werden soll.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick darauf entwickelt, um die oben angesprochenen Probleme zu beseitigen, und es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Abfall der Zellenleistung auf Grund des Vorhandenseins von Wasser um die Elektrodenabschnitte herum oder einen Mangel an Wassergehalt einer Elektrolytmembran zu verhindern und ein schnelles Ausstoßen des angesammelten Wassers von Elektrodenabschnitten zu erreichen und ein schnelles Befeuchten der Elektrolytmembran sicherzustellen.

Für diesen Zweck wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem geschaffen, mit einem Brennstoffzellenstapel (10), der elektrische Energie vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidiergas, welches als Hauptkomponente Sauerstoff enthält, und einem Brennstoffgas, welches als Hauptkomponente Wasserstoff enthält, zu erzeugen, mit wenigstens einer von ersten Druckeinstelleinrichtungen (23) zum Einstellen eines Druckes des Oxidiergases, welches dem Brennstoffzellenstapel (10) zuzuführen ist, und einer zweiten Druckeinstelleinrichtung (32) zum Einstellen eines Druckes des Brennstoffgases, welches dem Brennstoffzellenstapel (10) zuzuführen ist, und mit einer Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung (40) zum Diagnostizieren eines Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels (10), wobei eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidiergases und dem Druck des Brennstoffgases in Einklang mit einem Ergebnis der Diagnose in der Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung (40) gesteuert wird.

Wenn zusätzlich gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung in dem Brennstoffzellenstapel (10) Wasser in einem übermäßigen Zustand oder übermäßigem Maße diagnostiziert wird, ist die Diffusion von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite in einer solchen Weise unterdrückbar, daß die Differenz in dem Druck zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidiergas gesteuert wird, so daß der Druck des Brennstoffgases höher wird als der Druck des Oxidiergases, was das Vorhandensein von Wasser an den Elektrodenabschnitten der Brennstoffelektrode verhindern kann, ohne daß die Brennstoffelektrode oder ein Brennstoffkanal gespült oder gereinigt werden muß. Wenn zusätzlich gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung internes Wasser des Brennstoffzellenstapels (10) als zu gering diagnostiziert wird, wird die Bewegung von Wasser von der Luftelektrodenseite zu der Brennstoffelektrodenseite in einer solchen Weise gefördert, daß die Druckdifferenz zwischen dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas so gesteuert wird, daß der Druck des Brennstoffgases niedriger wird als der Druck des Oxidiergases, wodurch dann eine unmittelbare Befeuchtung (Erhöhung des Wassergehaltes) der Elektrolytmembran erreicht wird.

Es wird demzufolge durch Steuerung der Druckdifferenz dazwischen gemäß einem Diagnoseergebnis in der Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung möglich, einen Abfall der Brennstoffzellenleistung auf Grund von Wasservorkommen an den Elektrodenabschnitten zu verhindern oder einen Mangel an Wassergehalt der Elektrolytmembran zu verhindern.

Wenn darüber hinaus gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung das interne Wasser des Brennstoffzellenstapels (10) als geeignet diagnostiziert wird, wird die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidiergas reduziert. Dies kann die Aufrechterhaltung des internen Wassers des Brennstoffzellenstapels in einem geeigneten Zustand sicherstellen.

Ferner kann das Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Wassermenge-Einstelleinrichtung (24) aufweisen, um einen Wassergehalt von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas zu steuern, und zwar in solcher Weise, daß der Wassergehalt von wenigstens einem Gas gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas erhöht wird, wenn das Innere des Brennstoffzellenstapels als trockener Zustand diagnostiziert wird. Dies ermöglicht dann eine schnelle Befeuchtung der Elektrolytmembran. dahingehend, daß Wasser in dem Brennstoffzellenstapel (10) in übermäßiger Weise vorhanden ist.

Ferner kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung die Druckdifferenz zwischen dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas lediglich für eine vorbestimmte Zeitdauer in Einklang mit dem Diagnoseergebnis gesteuert werden.

Ferner kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Wasserzustand-Diagnoseeinrichtung (40) eine Diagnose durchführen, daß Wasser in dem Brennstoffzellenstapel (10) im Übermaß vorhanden ist, wenn ein integrierter Wert der Ströme, die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden, einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Darüber hinaus kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung der Brennstoffzellenstapel (10) eine Vielzahl an Zellen enthalten und die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung (40) führt eine Diagnose hinsichtlich eines Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels (10) auf der Grundlage eines Dispersionszustandes der erzeugten Spannungen unter den Zellen durch.

Zusätzlich kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung (40) eine Wassermenge-Meßeinrichtung (51, 52) enthalten, die in wenigstens einem Abschnitt gemäß einem Oxidiergas-Auslaß-/Einlaßabschnitt des Brennstoffzellenstapels (10) und einem Brennstoffgas-Auslaß-/Einlaßabschnitt desselben vorgesehen ist, um eine Wassermenge des Gases zu messen. Dies ermöglicht die Diagnose eines Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels.

Zusätzlich kann die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung (40) gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Widerstandsmeßeinrichtung (60) enthalten, um einen Widerstand der Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels (10) zu messen. In gleicher Weise kann dies zu einer Diagnose eines Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels führen.

Zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung (71) zum Messen eines Auslaßdruckes des Oxidiergases im Inneren des Brennstoffzellenstapels (10) und eine Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung (82) enthalten, um einen Auslaßdruck des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels (10) zu messen, wobei der Druck des Oxidiergases und der Druck des Brennstoffgases in Einklang mit den Ergebnissen der Messung in der Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung (71) und der Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung (82) gesteuert wird.

Dies ermöglicht es, daß die Steuerung in einfacher Weise durchgeführt werden kann und in sicherer Form in all den internen Zonen des Brennstoffzellenstapels implementiert werden kann, so daß der Druck des Brennstoffgases höher wird als der Druck des Oxidiergases. Da zusätzlich die Differenz des Wassers von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite durch die Anwendung dieser Drucksteuerung unterdrückbar ist, wird es möglich zu verhindern, daß an den Elektrodenabschnitten der Brennstoffelektrode Wasser vorhanden ist, wobei eine Spülung oder Reinigung der Brennstoffelektrode und des Brennstoffkanals nicht erforderlich sind.

Darüber hinaus enthält das Brennstoffzellensystem gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung (71) zum Messen eines Einlaßdruckes des Oxidiergases im Inneren des Brennstoffzellenstapels (10), eine Oxidiergas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung (72) zum Messen eines Auslaßdruckes des Oxidiergases in dem Inneren des Brennstoffzellenstapels (10), eine Brennstoffgas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung (81) zum Messen eines Einlaßdruckes des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels (10), und eine Brennstoffgas-Auslaßdrück-Meßeinrichtung (82) zum Messen eines Auslaßdruckes des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels (10), wobei der Druck des Oxidiergases und der Druck des Brennstoffgases auf der Grundlage des Auslaßdruckes von einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas gesteuert wird und wobei die Steuerung in solcher Weise erfolgt, daß dieser höher ist als der andere und der Einlaßdruck von einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas so gesteuert wird, daß er niedriger ist als der andere.

Dadurch kann in einfacher und sicherer Weise eine Steuerung erreicht werden, so daß der Druck des Brennstoffgases höher wird als der Druck des Oxidiergases, und zwar in allen internen Zonen des Brennstoffzellenstapels, oder eine Steuerung möglich wird, durch die der Druck des Oxidiergases höher eingestellt werden kann als der Druck des Brennstoffgases, und zwar in allen internen Zonen des Brennstoffzellenstapels. Da zusätzlich die Wasserdiffusion von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite unterdrückbar ist, und zwar durch die Verwendung der an früherer Stelle erwähnten Drucksteuerung, ist es möglich zu verhindern, daß Wasser an den Elektrodenabschnitten der Brennstoffelektrode auftritt, ohne daß dabei die Brennstoffelektrode oder der Brennstoffkanal gespült oder gereinigt werden muß. Da darüber hinaus die Wasserbewegung von der Luftelektrodenseite zu der Brennstoffelektrodenseite hin durch die Verwendung der letzteren Drucksteuerung gefördert werden kann, wird es möglich, eine prompte und schnelle Befeuchtung der Elektrolytmembran durchzuführen.

Die in Klammern angegebenen Bezugszeichen, die den jeweiligen Einrichtungen nachgestellt sind, zeigen die entsprechende Beziehung in bezug auf die konkrete Einrichtung bei einer Ausführungsform auf, die an späterer Stelle beschrieben wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich unmittelbar aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Flußdiagramm, welches eine Steuerverarbeitung wiedergibt, die bei einer Steuereinheit implementiert wird, welche in 1 gezeigt ist;
3 eine schematische Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in einer Steuereinheit implementiert wird, welche in 3 gezeigt ist;
5 ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
6 ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung implementiert wird;
7 eine schematische Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische Darstellung einer Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
10 eine Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in einer Steuereinheit implementiert wird, welche in 9 gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 zeigt illustrativ ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dieses Brennstoffzellensystem ist beispiels weise bei Elektrofahrzeugen (brennstoffzellen-angetriebenes Fahrzeug) anwendbar, welche eine Brennstoffzelle als eine elektrisch Energiequelle verwenden.
Wie in 1 gezeigt ist, ist die Brennstoffzelle gemäß dieser Ausführungsform mit einem Brennstoffzellenstapel 10 ausgerüstet, der dafür ausgelegt ist, um elektrische Energie durch die Anwendung einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Dieser Brennstoffzellenstapel 10 dient dazu, elektrische Energie der elektrischen Ausrüstung zuzuführen, wie beispielsweise einer elektrischen Last 11 oder einer Sekundärbatterie (nicht gezeigt). Im Falle eines Elektrofahrzeugs wird dieses Fahrzeug durch einen Elektromotor angetrieben, welcher dann der elektrischen Last 11 entspricht.
Bei der ersten Ausführungsform wird ein Festkörper-Polyelektrolyt-Brennstoffzellenstapel als Brennstoffzellenstapel 10 verwendet und eine Vielzahl der Brennstoffzellen bilden je eine Grundeinheit, und diese sind in einem Stapelzustand angeordnet und sind elektrisch miteinander in Reihe geschaltet. In dem Brennstoffzellenstapel 10 findet nach dem Empfang der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff die folgende elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff statt, um elektrische Energie zu erzeugen. (negative Elektrodenseite) H2 → 2H+ + 2e– (positive Elektrodenseite) 2H+ + 1/2O2 + 2e– → H2O
Das Brennstoffzellensystem enthält einen Luftkanal 20 zum Zuführen von Luft (Sauerstoff) zu einer Luftelektrode (positive Elektrodenseite) des Brennstoffzellenstapels 10, und einen Brennstoffkanal 30 zum Zuführen von Wasserstoff zu einer Brennstoffelektrodenseite (negative Elektrode) des Brennstoffzellenstapels 10. In diesem Fall entspricht die Luft einem Oxidiergas bei der vorliegenden Erfindung, während Wasserstoff einem Brennstoffgas entspricht.
An dem am weitesten stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Luftkanals 10 ist eine Luftpumpe 21 vorgesehen, um Luft, die aus der Atmosphäre angesaugt wird, dem Brennstoffzellenstapel 10 unter Druck zuzuführen, und es ist ein Luftdrucksensor 22 zwischen der Luftpumpe 21 in dem Luftkanal 20 und dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet, um einen Luftdruck an einem Abschnitt zu messen, durch den die Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 hineinströmt. Darüber hinaus ist ein Luftdruckregulierventil 23 in dem Luftkana1 20 auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellen- stapels 10 vorgesehen, um den Druck der Luft einzustellen, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. In diesem Fall mißt ein Luftdrucksensor 22, der an der oben genannten Position gelegen ist, einen maximalen Luftdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10.
Die Luftpumpe 21 ist von einem Typ, deren Umdrehungszahl elektrisch variabel ist, und das Luftdruckregulierventil 23 ist von einem Typ, bei dem ein Wert, auf den der Luftdruck geregelt werden soll, elektrisch variabel ist. Der Luftdrucksensor 22 entspricht der ersten Druckmeßeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung, während das Luftdruckregulierventil 23 der ersten Druckeinstelleinrichtung entspricht.
Eine Wasserstoffpumpe 31, die mit Wasserstoff gefüllt ist, ist an dem am weitesten stromaufwärts gelegenen Abschnitt des Brennstoffkanals 10 plaziert und es ist ein Wasserstoffdruckregulierventil 32 in dem Brennstoffkanal 30 zwischen der Wasserstoffbombe 31 und dem Brennstoffzellenstapel 10 plaziert, um den Druck des Wasserstoffes zu justieren, welcher dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird.
Die stromabwärtige Seite des Brennstoffzellenstapels 10 ist mit der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffdruckregulierventils 32 verbunden, so daß der Brennstoffkanal 30 in einer geschlossenen Schleifenkonfiguration ausgebildet ist, so daß Wasserstoff in dem Brennstoffkanal 30 zirkulieren kann, um Wasserstoff, der in dem Brennstoffzellenstapel 10 nicht verbraucht wurde, dem Brennstoffzellenstapel 10 erneut zuzuführen.
Zusätzlich ist in dem Brennstoffkanal 30 auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 10 ein Wasserstoffdrucksensor 33 gelegen, um den Druck des Wasserstoffes an einem Abschnitt zu messen, durch den der Wasserstoff von dem Brennstoffzellenstapel 10 strömt, und dort ist eine Wasserstoffpumpe 34 gelegen, um den Wasserstoff in dem Brennstoffkanal 30 zirkulieren zu lassen. In diesem Fall mißt der Wasserstoffdrucksensor 33, der an der zuvor genannten Position gelegen ist, einen minimalen Wasserstoffdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10.
Die Wasserstoffpumpe 34 ist von einem Typ, bei dem die Drehzahl elektrisch änderbar ist, und das Wasserstoffdruckregulierventil 32 ist von einem Typ, bei dem ein Wert, auf dem der Wasserstoffdruck reguliert werden soll, elektrisch änderbar ist. Der Wasserstoffdrucksensor 33 entspricht der zweiten Druckmeßeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung, während das Wasserstoffdruckregulierventil 32 der zweiten Druck einstelleinrichtung hierbei entspricht. Das Luftdruckregulierventil 23 und das Wasserstoffdruckregulierventil 32 bilden die Druckeinstelleinrichtung bei der vorliegenden Erfindung.
Eine Steuereinheit (ECU) 40 besteht aus einem gut bekannten Mikrocomputer, umfassend eine CPU, einen ROM, einen RAM und andere Einheiten und deren periphere Schaltkreise. Eine gewünschte Leistung, die einen Zielwert der elektrischen zu erzeugenden Energie in dem Brennstoffzellenstapel 10 bildet, wird in einer anderen ECU (nicht gezeigt) berechnet, und die Steuereinheit 40 empfängt ein gewünschtes Leistungssignal von der anderen ECU, ein Luftdrucksignal von dem Luftdrucksensor 22 und ein Wasserstoffdrucksignal von dem Wasserstoffdrucksensor 33. Darüber hinaus gibt die Steuereinheit 40 Steuersignale an die Luftpumpe 21, das Luftdruckregulierventil 23, das Wasserstoffdruckregulierventil 32 und die Wasserstoffpumpe 34 aus.
Unter Hinweis auf die 1 und 2 folgt nun eine Beschreibung eines Betriebes des Brennstoffzellensystems, welches in dieser Form konstruiert ist. 2 ist ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung darstellt, die in der Steuereinheit 40 ausgeführt wird.
Zu allererst wird ein Befehlswert, der eine gewünschte Leistung oder Energie anzeigt, die in der anderen ECU berechnet wurde, bei einem Schritt S101 eingespeist, gefolgt von einem Schritt S102, um einen gewünschten Betriebsstromwert für den Brennstoffzellenstapel 10 auf der Grundlage des Befehlswertes zu bestimmen, der bei dem Schritt S101 eingegeben wurde, in Einklang mit einem Plan, der im voraus in dem ROM abgespeichert wurde.
Anschließend wird ein Schritt S103 ausgeführt, um eine Menge an Luft zu bestimmen, die dem Brennstoffzellenstapel 10 entsprechend dem Plan zuzuführen ist, welcher bereits an früherer Stelle in dem ROM gespeichert wurde, und zwar auf der Grundlage des gewünschten Wertes, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde, woraufhin dann ein Schritt S104 folgt, um die Menge an Wasserstoff zu bestimmen, die den Brennstoffzellenstapel 10 entsprechend dem Plan zuzuführen ist, der bereits an früherer Stelle in dem ROM gespeichert wurde, auf der Grundlage des gewünschten Wertes, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde.
Bei einem Schritt S105 wird die Drehgeschwindigkeit einer Luftpumpe 21 gesteuert, um die Luftzufuhrmenge zu liefern, die bei dem Schritt S103 bestimmt wurde, ge folgt von einem Schritt S106, um die Drehgeschwindigkeit der Wasserstoffpumpe 34 zu steuern, um die Wasserstoffzufuhrmenge zu liefern, die bei dem Schritt S104 bestimmt wurde.
Darüber hinaus wird nach dem Empfang eines Wasserstoffdrucksignals von dem Wasserstoffdrucksensor 33 ein Schritt S107 implementiert, um einen Wasserstoffdruck Ph an einer Auslaßöffnung des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen, gefolgt von einem Schritt S108, um nach dem Empfang eines Luftdrucksignals von dem Luftdrucksensor 22 einen Luftdruck Pa an einem Einlaßabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen.
Nachfolgend auf diesen Schritt wird ein Schritt S109 realisiert und es wird eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = Ph – Pa) zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa mit einem Einstellwert P1 verglichen, der aus einem positiven Wert besteht. Wenn die Druckdifferenz ΔP unter dem Einstellwert P1 liegt, das heißt, wenn die Entscheidung bei dem Schritt S109 "NEIN" leitet, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S110, um die Steuerung durchzuführen, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 zu erhöhen.
Wenn auf der auf der anderen Seite die Druckdifferenz ΔP (ΔP = Ph – Pa) größer ist als der Einstellwert P1, das heißt, wenn die Entscheidung bei dem Schritt S109 "JA" lautet, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S120, um eine Steuerung zur Reduzierung des Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruckes Ph auszuführen, und zwar durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32.
Somit wird der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph gesteuert, so daß dieser zu einem Druck wird, der höher ist als der Einstellwert P1 oder größer ist als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa. Mit anderen Worten wird unter der Steuerung ein minimaler Wasserstoffdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 immer auf einen Druck eingestellt, der um den Einstellwert höher ist oder größer ist als ein maximaler Luftdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10. Das heißt, der Wasserstoffdruck wird höher als der Luftdruck, und zwar in allen internen Zonen des Brennstoffzellenstapels 10.
Da zusätzlich diese Drucksteuerung die Wasserdiffusion von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite begrenzt, ist es möglich zu verhindern, daß Wasserrückstände um die Elektrodenabschnitte der Brennstoffelektrode entstehen, ohne daß die Brennstoffelektrode oder der Brennstoffkanal 30 gespült werden müssen.
Obwohl in diesem Zusammenhang bei dieser Ausführungsform der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph eingestellt wird, und zwar durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 bei den Schritten S110 und S120, ist es auch angebracht, den Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa durch die Verwendung des Luftdruckregulierventils 23 einzustellen. In diesem Fall wird die Steuerung bei dem Schritt S110 so ausgeführt, um den Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa abzusenken, während die Steuerung bei dem Schritt S120 so implementiert wird, daß der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa angehoben wird.
Darüber hinaus ist es auch zweckmäßig, sowohl den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph als auch den Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa bei den Schritten S110 und S120 einzustellen. In diesem Fall wird der Schritt S110 so implementiert, um den Wasserstoffdruck Ph des Auslaßabschnitts zu erhöhen und um den Luftdruck Pa des Einlaßabschnitts zu reduzieren, während der Schritt S120 so ausgeführt wird, daß der Wasserstoffdruck Ph des Auslaßabschnitts reduziert wird, und der Luftdruck Pa des Einlaßabschnitts erhöht wird.
Obwohl bei dieser Ausführungsform darüber hinaus der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 eingestellt wird, und zwar auf der Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichs zwischen der Druckdifferenz ΔP und dem Einstellwert P1, ist es auch möglich, daß die Operationen des Luftdruckregulierventils 23 und des Wasserstoffdruckregulierventils 32 entsprechend einem Plan gesteuert werden, der im voraus in dem ROM abgespeichert ist, was weiter unten erläutert wird.
Das heißt, es wird die Beziehung zwischen dem minimalen Wasserstoffdruck und dem maximalen Luftdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 im voraus durch Experimente in einem Zustand geprüft, bei dem die Luftzufuhrmenge und die Wasserstoffzufuhrmenge, die auf der Grundlage eines gewünschten Wertes des Betriebsstromes bestimmt werden und die Öffnungsgrade des Luftdruckregulierventils 23 und des Wasserstoffdruckregulierventils 32 als Parameter verwendet werden, und es werden die Öffnungsgrade des Luftdruckregulierventils 23 und des Wasserstoffdruckregulierventils 23 bestimmt, so daß der minimale Wasserstoffdruck im Inneren des Brenn stoffzellenstapels 10 höher wird als der maximale Luftdruck im Inneren des Brennstoffstapels 10, und zwar zu allen Zeitpunkten.
Darüber hinaus werden die bestimmten Öffnungsgrade des Luftdruckregulierventils 23 und des Wasserstoffdruckregulierventils 32 mit einem gewünschten Betriebsstromwert zugeordnet, um einen Plan zu formen, und es wird der gebildete Plan in dem ROM abgespeichert. Es werden somit die Betriebe des Luftdruckregulierventils 23 und des Wasserstoffdruckregulierventils 32 in Einklang mit dem Plan gesteuert. Dies kann den Bedarf nach Verwendung des Luftdrucksensors 22 und des Wasserstoffdrucksensors 23 beseitigen.
Zweite Ausführungsform
Ferner wird unter Hinweis auf die 3 und 4 eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weiter unten wiedergegeben. Bei dieser Ausführungsform werden ein Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, ein Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und eine Luftfeuchtigkeitsmenge in Einklang mit einem Ergebnis der Diagnose eines Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels gesteuert. Die Teile, die identisch sind mit oder denjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechend, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird der Kürze halber weggelassen.
3 ist eine Darstellung der Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform. Wie in 3 gezeigt ist, ist ein Befeuchter 24, der dafür ausgebildet ist, die Luft zu befeuchten, zwischen der Luftpumpe 21, die an den Luftkanal 20 angeschlossen ist, und dem Brennstoffzellenstapel 10 plaziert, und es ist in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 10 ein Zellenmonitor 12 vorgesehen, um eine Ausgangsspannung von jeder der Zellen zu detektieren, welche den Brennstoffzellenstapel 10 bilden, wobei ein Zellenspannungssignal entsprechend der Ausgangsspannung, die durch den Zellenmonitor 12 detektiert wurde, der Steuereinheit 40 eingespeist wird. Der Befeuchter 24 entspricht der Wassermengen-Einstelleinrichtung bei der vorliegenden Erfindung.
Die Steuereinheit 40 ist dafür ausgebildet, um einen Wasserrückstandszustand oder einen Trockenzustand der Elektrolytmembran zu diagnostizieren, und zwar auf der Brennstoffelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 10, das heißt einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage einer Ausgangsspan nung von jeder der Zellen. Daher entsprechen die Steuereinheit 40 und der Zellenmonitor 12 der Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung.
In diesem Zusammenhang ist diese Ausführungsform, im Gegensatz zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, nicht mit einem Luftdrucksensor 22 und einem Wasserstoffdrucksensor 33 ausgerüstet. Aus diesem Grund sind ein Plan, in welchem ein Öffnungsgrad des Luftdruckregulierventils 23 und ein Öffnungsabschnitt-Luftdruck Pa, die einander zugeordnet sind (dazu in Beziehung gesetzt ist), und ein Plan, in welchem ein Öffnungsgrad des Wasserstoffdruckregulierventils 32 und ein Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph einander zugeordnet sind, in dem ROM gespeichert. Es werden somit ein Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa und ein Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung dieser Pläne erhalten.
Zweitens folgt unter Hinweis auf die 3 und 4 eine Beschreibung eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, welches insoweit konstruiert ist. 4 ist ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung veranschaulicht, die in der Steuereinheit 40 implementiert wird.
Zu allererst wird ein Befehlswert, der eine gewünschte Leistung anzeigt, bei einem Schritt S101 eingespeist, gefolgt von einem Schritt S102, um einen gewünschten Betriebsstromwert für den Brennstoffzellenstapel 10 in Einklang mit einem Plan auf der Grundlage des Befehlswertes zu bestimmen, der bei dem Schritt S101 eingegeben wurde.
Nachfolgend wird ein Schritt S103 implementiert, um eine Menge der Luft zu bestimmen, die dem Brennstoffzellenstapel 10 in Einklang mit dem Plan auf der Grundlage des gewünschten Wertes, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde, zuzuführen ist, gefolgt von einem Schritt S103a, um einen Basisdruck der Zufuhrluft in Einklang mit dem Plan auf der Grundlage des gewünschten Wertes zu bestimmen, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde.
Nachfolgend wird ein Schritt S104 implementiert, um eine Menge des Wasserstoffes zu bestimmen, der dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß dem Plan auf der Grundlage des gewünschten Wertes, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde, zuzuführen ist, gefolgt von einem Schritt S104a, um einen Basisdruck des Zufuhr-Wasserstoffes gemäß dem Plan auf der Grundlage des gewünschten Wertes, der bei dem Schritt S102 bestimmt wurde, zu bestimmen.
In einem Schritt S105a wird der Grund-Öffnungsgrad des Luftdruckregulierventils 23 bestimmt, so daß der Luftdruck, der bei dem Schritt S103a bestimmt wurde, erreicht werden kann. Bei einem Schritt S105 wird die Drehgeschwindigkeit der Luftpumpe 21 gesteuert, um eine Luftzufuhrmenge zu liefern, die in dem Schritt S103 bestimmt oder ermittelt wurde.
Bei einem Schritt S106 wird die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 34 gesteuert, um die Wasserstoffzufuhrmenge zu liefern, die bei dem Schritt S104 ermittelt wurde. In einem Schritt S106a wird ein Grund-Öffnungsgrad des Wasserstoffdruckregulierventils 32 bestimmt, um den Wasserstoffdruck zu realisieren, der bei dem Schritt S104a bestimmt oder ermittelt wurde.
Bei einem Schritt S130 wird eine Grund-Luftfeuchtigkeitsmenge auf der Grundlage des gewünschten Betriebsstromwertes, der bei dem Schritt S102 ermittelt wurde, bestimmt.
Nachfolgend darauf wird ein Schritt S140 implementiert, um einen Wasserrückstandszustand und/oder einen Trockenzustand einer Elektrolytmembran auf der Brennstoffelektrodenseite in dem Brennstoffzellenstapel 10 zu diagnostizieren, das heißt einen Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10.
Konkret ausgedrückt, wird eine mittlere Zellenspannung, werden Spannungsabweichungen der Zellen und wird eine Standardabweichung der Zellenspannungen zuerst auf der Grundlage der Ausgangsspannungen der Zellen berechnet. Dann, bei einer Situation, bei der Wasserrückstände auf der Brennstoffelektrodenseite einer spezifischen Zelle vorhanden sind, befinden sich, da erwartet wird, daß die Befeuchtung des Wasserstoffes oder der Luft einen ausreichenden Zustand erreicht, die Zellen, die verschieden sind von der spezifischen Zelle, in einem normalen Betriebszustand, so daß die mittlere Zellenspannung nicht stark abfällt und lediglich die Spannung, die durch die spezifische Zelle erzeugt wird, beträchtlich abfällt. Es wird daher in einem Fall, bei dem die mittlere Zellenspannung in einem normalen Bereich liegt, jedoch eine Zelle eine extreme oder anormal große Abweichung zeitigt, geschätzt, daß eine Zelle vorhanden ist, in welcher Wasser auf deren Brennstoffelektrodenseite vorhanden ist.
Zusätzlich in einem Fall, bei dem die Elektrolytmembran sich in einem trockenen Zustand befindet, wird eingeschätzt, daß trockene Luft zu der Luftelektrode zuge führt wird. Daher neigen in allen Zellen die Elektrolytmembranen dazu zu trocknen, so daß die mittlere Zellenspannung stark abfällt. Andererseits kann in einem Fall, bei dem trockene Luft zugeführt wird, Kondensat (Wasser) kaum erzeugt werden und damit kann Wasser nicht einfach auf der Brennstoffelektrodenseite verbleiben, welches zur Entstehung einer Zelle führt, deren Spannung stark abfällt. Daher kann in einem Fall, bei dem der Mittelwert stark abfällt und jede der Zellen eine kleine Abweichung zeigt, in Betracht gezogen werden, daß die Elektrodenmembranen sich in einem trockenen Zustand befinden.
Danach wird bei einem Schritt S150 eine Entscheidung getroffen, und zwar auf der Grundlage des Diagnoseergebnisses bei dem Schritt S140, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in übermäßiger Weise vorhanden ist oder nicht, oder konkreter ausgedrückt, ob eine Zelle existiert, in welcher Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite steht. Wenn dabei eingeschätzt wird, daß eine Zelle vorhanden ist, bei der Wasser auf der Elektrodenseite steht, das heißt, wenn die Antwort bei dem Schritt S150 "JA" ergibt, verläuft der Operationsfluß weiter zu einem Schritt S151.
Bei dem Schritt S151 wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 gesteuert, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph zu erhöhen, so daß eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = Ph – Pa) zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa einen ersten Einstellwert P1 überschreitet, der aus einem positiven Wert besteht. Wenn somit der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph anwächst und größer wird als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, ist es möglich, den Effekt des Wassers auf der Brennstoffelektrodenseite zu fördern, welches durch die Elektrolytmembran zu der Luftelektrodenseite hin ausgestoßen wird.
Nachfolgend darauf verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S152, um die Feuchtigkeitsmenge der Luft durch die Verwendung des Befeuchters 24 einzustellen. Wenn die Luftfeuchtigkeitsmenge auf diese Weise eingestellt wird, ist es möglich, die Diffusion des Wassers von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite zu unterdrücken. Darüber hinaus wird es durch die Implementierung der Steuerung gemäß den Schritten S151 und S152 möglich, Wasser von der Brennstoffelektrodenseite sehr schnell auszustoßen.
Wenn auf der anderen Seite die Entscheidung bei dem Schritt S150 "NEIN" lautet, schreitet der Operationsfluß zu einem Schritt S160 voran, um eine Entscheidung zu treffen, und zwar auf der Grundlage des Diagnoseergebnisses bei dem Schritt S 140, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 unzureichend vorhanden ist oder nicht, konkreter ausgedrückt, ob die Elektrolytmembran in einen trockenen Zustand fällt oder nicht. Wenn angenommen wird, daß die Elektrolytmembran sich in einem trockenen Zustand befindet, das heißt bei dem Schritt S160 wird "JA" angezeigt, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S161.
Bei einem Schritt S161 wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 gesteuert, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph abzusenken, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa unter einen zweiten Einstellwert P2 fällt, der aus einem negativen Wert besteht. Wenn der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph abgesenkt wird, so daß er niedriger wird als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, ist es möglich, die Bewegung des Wassers von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite zu fördern oder zu verstärken, wodurch dann eine Befeuchtung der Elektrolytmembran in schneller Weise erreicht wird.
Nachfolgend folgt ein Schritt S162, um die Feuchtigkeitsmenge der Luft durch die Verwendung des Befeuchters 24 zu erhöhen. Wenn die Luftfeuchtigkeitsmenge auf diese Weise erhöht wird, kann die Befeuchtung der Elektrolytmembran von der Luftelektrodenseite her prompt erreicht werden.
Ferner zeigen in einem Fall, bei dem das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 eine angemessene Wassermenge aufweist oder konkreter gesagt, wenn Wasser nicht auf der Brennstoffelektrodenseite steht und die Elektrolytmembran noch nicht trocken ist, beide Entscheidungen bei den Schritten S150 und S160 "NEIN" lauten und der Operationsfluß verläuft dann zu einem Schritt S170.
In dem Schritt S170 wird der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 gesteuert, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa reduziert wird, oder konkreter ausgedrückt, es fällt der Absolutwert der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa unter einen dritten Einstellwert P3, der aus einem positiven Wert besteht. In diesem Zusammenhang wird der dritte Einstellwert P3 so eingestellt, daß er niedriger liegt als der erste Einstellwert P1 und niedriger liegt als der Absolutwert des zweiten Einstellwertes P2. Dann verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S171, um die Menge an Luftfeuchtigkeit, die unter Verwendung des Befeuchters 24 erreicht werden soll, zu steuern, und zwar zusätzlich zur Grund-Feuchtigkeitsmenge, die bei dem Schritt S130 bestimmt wurde. Durch die Implementierung der Steuerung in den Schritten S170 und S171 kann Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in einem angemessenen Zustand aufrecht erhalten werden.
Nebenbei bemerkt, obwohl bei dieser Ausführungsform in Verbindung mit der Luft und dem Wasserstoff lediglich die Luft befeuchtet wird, ist es ebenso angebracht, den Wasserstoff zu befeuchten. Im Falle der Wasserstoffbefeuchtung wird die Wasserstoffbefeuchtungsmenge bei dem Schritt S152 reduziert und wird bei dem Schritt S162 erhöht.
Obwohl darüber hinaus bei dieser Ausführungsform der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph gesteuert wird, und zwar mit Hilfe des Wasserstoffdruckregulierventils 32, um diesen in einem Fall zu erhöhen, bei dem mit einkalkuliert wird, daß eine Zelle(n) existiert bzw. existieren, in der bzw. in denen Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite steht, ist es auch angebracht, daß der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa durch die Verwendung des Luftdruckregulierventils 23 gesteuert wird, um diesen abzusenken, so daß der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph ansteigt, und zwar relativ in Bezug auf den Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa.
Obwohl darüber hinaus bei dieser Ausführungsform der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph gesteuert wird, um diesen abzusenken, und zwar unter Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32, wird in einem Fall, in dem geschätzt wird, daß sich die Elektrolytmembran in einem trockenen Zustand befindet, es auch als angemessen oder geeignet betrachtet, daß der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa gesteuert wird, um diesen durch die Verwendung des Luftdruckregulierventils 23 zu erhöhen, so daß der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph relativ in Bezug auf den Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa abfällt.
Obwohl ferner bei dieser Ausführungsform die Steuerung der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa und die Steuerung der Feuchtigkeitsmenge auf der Grundlage der Entscheidungsergebnisse bei den Schritten S150 und S160 durchgeführt werden, ist es auch annehmbar, daß lediglich die Druckdifferenzsteuerung implementiert wird, ohne die Feuchtigkeitsmengensteuerung in den Schritten S152, S162 und S171 auszuführen.
Dritte Ausführungsform
Es folgt nun unter Hinweis auf 5 eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist dafür ausgelegt, um die Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa lediglich für eine festgelegte Zeitperiode in Einklang mit dem Diagnoseergebnis hinsichtlich eines Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels 10 durchzuführen. Die Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform ist die Gleich wie diejenige der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform. 5 zeigt ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in der Steuereinheit 40 implementiert wird, und es sind die Schritte S102 bis S130 (siehe 4), die bei der zweiten Ausführungsform beschrieben sind, in 5 weggelassen.
In 5 wird bei einem Schritt S180 eine Entscheidung getroffen, und zwar auf der Grundlage des Diagnoseergebnisses in dem Schritt S140, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 im Überfluß vorhanden ist oder nicht, konkreter gesagt, ob eine Zelle oder Zellen vorhanden ist bzw. sind, in der bzw. in denen Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite steht. Wenn geschätzt wird, daß eine Zelle vorhanden ist, bei der Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite steht, wird die Druckdifferenzsteuerung bei einem Schritt S183, was noch später erläutert wird, implementiert, und zwar lediglich für eine konstante Zeitperiode.
Das heißt, bei dem Schritt S181 wird ein Zeitzähler zurückgesetzt, so daß die Zeit tc zu Null wird, und es wird ein Schritt S182 implementiert, um eine Entscheidung zu treffen, ob die Zeit tc eine erste Einstellzeit t1 überschreitet oder nicht. Wenn diese die erste Einstellzeit t1 nicht überschreitet, wird nach der Implementierung des Schrittes S183 bei einem Schritt S184 die Zeit tc erneuert, um einen Wert zu erreichen, der durch Hinzuaddieren einer festen Zeit Δt erhalten wird. Wenn nach der Erneuerung die erneuerte Zeit tc die erste Einstellzeit t1 überschreitet, ergibt sich bei dem Schritt S182 die Antwort "JA" und die Druckdifferenzsteuerung bei dem Schritt S183 erreicht dann die Vervollständigung.
Bei dem Schritt S183 wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 gesteuert, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph anzuheben, so daß eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = Ph – Pa) zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa einen ersten Einstellwert P1 überschreitet, der aus einem positiven Wert besteht. Wenn somit der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph erhöht wird, so daß dieser höher wird als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, wird es möglich, die Wirkung des Wassers auf der Brennstoffelektrodenseite zu unterstützen, welches durch die Elektrodenmembran zu der Luftelektrodenseite hin ausgestoßen wird.
Wenn auf der anderen Seite die Entscheidung bei dem Schritt S180 "NEIN" lautet, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S190. Bei dem Schritt S190 wird eine Entscheidung getroffen, und zwar auf der Grundlage des Diagnoseergebnisses bei dem Schritt S140, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 unzureichend vorhanden ist, konkreter gesagt, ob die Elektrolytmembran sich in einem trockenen Zustand befindet oder nicht. Wenn sich die Elektrolytmembran in einem trockenen Zustand befindet, wird die Druckdifferenzsteuerung in einem Schritt S193, der noch später beschrieben wird, implementiert, und zwar lediglich für eine festgelegte Zeitperiode.
Das heißt, bei dem Schritt S191 wird ein Zeitzähler zurückgesetzt, so daß die Zeit tc zu Null wird, und es wird dann in einem Schritt S192 eine Entscheidung getroffen, ob die Zeit tc eine zweite Einstellzeit t2 überschreitet oder nicht. Wenn diese die zweite Einstellzeit t2 nicht überschreitet, wird nach der Implementierung der Steuerung in dem Schritt S193 in einem Schritt S194 die Zeit tc auf den neuesten Stand gebracht bzw. erneuert, so daß sie einen Wert erreicht, der durch Hinzuaddieren eines festen Zeitwertes δt erreicht wird. Nach der Erneuerung, wenn die erneuerte Zeit tc die zweite Einstellzeit t2 überschreitet, ergibt sich bei dem Schritt S192 "JA", und die Druckdifferenzsteuerung bei dem Schritt S193 erreicht die Vervollständigung.
Bei dem Schritt S193 wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 gesteuert, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph abzusenken, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa unter einen zweiten Einstellwert P2 fällt, der aus einem negativen Wert besteht. Wenn somit der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph abfällt, so daß er niedriger wird als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, wird es möglich, die Wirkung des Wassers, welches von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite bewegt wird, zu fördern oder zu unterstützen, wodurch eine Befeuchtung der Elektrolytmembran unmittelbar erreicht wird.
Wenn auf der anderen Seite das Innere des Brennstoffzellenstapels 10 eine geeignete Wassermenge erreicht hat oder konkreter gesagt, wenn das Wasser auf der Brennstoffzellenseite nicht steht und die Elektrolytmembran noch nicht getrocknet ist, lauten beide Entscheidungen bei den Schritten S180 und S190 "NEIN" und der Operationsfluß verläuft dann zu einem Schritt S200.
Bei dem Schritt S200 wird der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 gesteuert, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa reduziert wird, konkreter gesagt, es fällt der Absolutwert der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa unter einen dritten Einstellwert P3, der aus einem positiven Wert besteht. In diesem Fall wird der dritte Einstellwert P3 so eingestellt, daß er niedriger ist als der erste Einstellwert P1 und niedriger ist als der Absolutwert des zweiten Einstellwertes P2.
Vierte Ausführungsform
Es folgt nun anschließend unter Hinweis auf 6 eine Beschreibung, einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist derart ausgelegt, daß der Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage eines integrierten Wertes der erzeugten Ströme von dem Brennstoffzellenstapel 10 diagnostiziert wird. Die gesamte Konfiguration des Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform ist die gleiche wie diejenige der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform.
6 zeigt ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung darstellt, die in der Steuereinheit 40 implementiert wird. Es wird zuerst ein Schritt S210 implementiert, um den erzeugten Strom I von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu messen und zu lesen, es folgt dann ein Schritt S211, um einen integrierten Wert Isum des erzeugten Stromes I auf den neuesten Stand zu bringen. Konkreter ausgedrückt, wird ein Wert, der durch Hinzuaddieren des Produktes aus dem erzeugten Strom I und einem festen Zeitwert Δt zu dem erzeugten Strom bzw. Integrationswert Isum, der unmittelbar bevor vorhanden war, als erzeugter Stromintegrationswert Isum eingestellt wird.
Mittlerweile befindet sich die Menge an Wasser, die auf Grund der Erzeugung der Elektrizität erzeugt wurde, angenähert in einer Proportionalität zu dem erzeugten Strom bzw. Integrationswert Isum. Aus diesem Grund wird bei einem Schritt S212 eine Entscheidung getroffen, ob der erzeugte integrierte Stromwert Isum einen eingestellten integrierten Wert Imax überschreitet oder nicht. Wenn der erzeugte integrierte Stromwert Isum den eingestellten integrierten Wert Imax (Schritt S212: JA) überschreitet, wird unter der Annahme, daß Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Überflußzustand vorhanden ist, die Druckdifferenzsteuerung bei einem Schritt S216 durchgeführt, was noch an späterer Stelle erläutert wird, und zwar lediglich für eine feste Zeitperiode, um Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Luftelektrodenseite auszustoßen.
Das heißt, es wird bei einem Schritt S213 der integrierte erzeugte Stromwert Isum auf Null gesetzt, und bei einem Schritt S214 wird der Zeitzähler zurückgestellt, so daß die Zeit tc zu Null wird. Darüber hinaus wird bei einem Schritt S215 eine Entscheidung getroffen, ob die Zeit tc eine erste Einstellzeit t1 überschreitet. Wenn die Zeit tc die erste Einstellzeit t1 nicht überschreitet, wird die Zeit tc nach der Implementierung eines Schrittes S216 bei einem Schritt S217 auf den neuesten Stand gebracht, so daß diese einen Wert erreicht, der durch Addieren eines festen Zeitwertes Δt zu derselben erhalten wird, und es wird dann bei einem Schritt S218 der erzeugte integrierte Stromwert Isum auf den neuesten Stand gebracht, so daß dieser einen Wert erreicht, der durch Addieren des Produktes aus dem erzeugten Strom I und dem festgesetzten Zeitwert Δt zu dem erzeugten integrierten Stromwert Isum, der unmittelbar zuvor vorhanden war, erhalten wird. Wenn nachfolgend die auf den neuesten Stand gebrachte Zeit tc die erste Einstellzeit t1 überschreitet, lautet die Entscheidung bei dem Schritt S215 "JA" und die Druckdifferenzsteuerung bei dem Schritt S216 erreicht die Vervollständigung.
Bei dem Schritt S216 wird das Wasserstoffdruckregulierventil 32 gesteuert, um den Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph in solcher Weise zu erhöhen, daß eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = Ph – Pa) zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa einen ersten Einstellwert P1 überschreitet, der aus einem positiven Wert besteht. Wenn somit der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph erhöht wird, so daß dieser höher liegt als der Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa, wird es möglich, die Wirkung des Wassers auf der Brennstoffelektrodenseite zu erhöhen oder zu fördern, welches durch die Elektrolytmembran zu der Luftelektrodenseite hin ausgestoßen wird.
Wenn auf der anderen Seite der erzeugte integrierte Stromwert Isum unter dem integrierten Einstellwert Imax (Schritt S212: NEIN) liegt, verläuft unter der Annahme, daß Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 sich in einem geeigneten Zustand befindet, der Operationsfluß weiter zu einem Schritt S219.
Bei dem Schritt S219 wird der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 so gesteuert, daß der Absolutwert der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa unter einen dritten Einstellwert P3 fällt, der aus einem positiven Wert besteht. In diesem Fall wird der dritte Einstellwert P3 so eingestellt, daß er niedriger ist als der erste Einstellwert P1.
Fünfte Ausführungsform
Es folgt nun unter Hinweis auf 7 eine Beschreibung einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform, bei welcher der Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage einer Ausgangsspannung von jeder der Zellen diagnostiziert wird, ist die fünfte Ausführungsform so ausgelegt, daß der Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch Messen einer Wassermenge eines Gases diagnostiziert wird. 7 zeigt eine Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform. Teile, die identisch sind mit oder denjenigen der zweiten Ausführungsform entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird der Einfachheit halber weggelassen.
In 7 ist ein erster Wassermengensensor 51 in dem Luftkanal 20 auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 10 plaziert, das heißt auf der Luftauslaßseite, um eine Wassermenge in der Luft zu messen, die durch den Brennstoffzellenstapel 10 hindurch strömt. Darüber hinaus ist ein zweiter Wassermengensensor 52 in dem Brennstoffkanal 30 auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 10 plaziert, das heißt auf der Wasserstoffauslaßseite, um eine Wassermenge von Wasserstoff zu messen, der durch den Brennstoffzellenstapel 10 hindurch strömt. Der erste Wassermengensensor 51 und der zweite Wassermengensensor 52 entsprechen der Wassermeßeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung.
Die Meßsignale von dem ersten Wassermengensensor 51 und von dem zweiten Wassermengensensor 52 werden der Steuereinheit 40 eingespeist und die Steuereinheit 40 diagnostiziert einen Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10, konkreter ausgedrückt, einen Wasser-Vorhandensein-Zustand oder einen Trockenzustand der Elektrolytmembran, was auf der Grundlage der Signale von dem ersten Wassermengensensor 51 und von dem zweiten Wassermengensensor 52 erfolgt. Darüber hinaus führt die Steuereinheit 40 eine Steuerung hinsichtlich der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa durch und auch eine Steuerung hinsichtlich der Feuchtigkeitsmenge gemäß dem Diagnoseergebnis.
Obwohl, nebenbei bemerkt, bei dieser Ausführungsform der erste Wassermengensensor 51 und der zweite Wassermengensensor 52 in Verwendung genommen werden, ist auch die Verwendung von lediglich einem dieser Sensoren 51 und 52 ebenso annehmbar. Darüber hinaus ist es auch möglich, daß der erste Wassermengensensor 51 in den Luftkanal 20 auf der stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 10 plaziert wird, das heißt auf der Lufteinlaßseite. Ferner ist es auch möglich, daß der zweite Wassermengensensor 52 in dem Brennstoffkanal 30 auf der stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenstapels 10 planiert wird, das heißt an der Wasserstoffeinlaßseite.
Sechste Ausführungsform
Es folgt nun eine Beschreibung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf 8. Obwohl bei der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform der Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage einer Ausgangsspannung von jeder der Zellen diagnostiziert wird, ist die sechste Ausführungsform so ausgelegt, daß der Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10 dadurch diagnostiziert wird, indem der Widerstand der Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 10 gemessen wird. 8 zeigt eine Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform. Teile, die iden- tisch sind mit oder solchen bei der zweiten Ausführungsform entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben ist der Kürze halber weggelassen.
Wie in 5 gezeigt ist, ist das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform mit einer Widerstandsmeßvorrichtung 10 ausgerüstet, die dafür ausge bildet ist, um einen Widerstand der Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen. Die Widerstandsmeßvorrichtung 60 entspricht der Widerstandsmeßeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung. Ein Meßsignal von der Widerstandsmeßvorrichtung 60 wird der Steuereinheit 40 eingespeist und die Steuereinheit 40 diagnostiziert auf der Grundlage des Meßsignals von der Widerstandsmeßvorrichtung 60 einen Wasserzustand des Brennstoffzellenstapels 10, konkreter ausgedrückt, einen Wasserstandszustand oder einen Trockenzustand der Elektrolytmembran. Darüber hinaus führt die Steuereinheit 40 die Steuerung hinsichtlich der Druckdifferenz zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Ph und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pa durch und auch die Steuerung der Feuchtigkeitsmenge gemäß dem Diagnoseergebnis.
Siebte Ausführungsform
Im folgenden wird eine Beschreibung einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf die 9 und 10 gegeben. 9 zeigt eine Darstellung der Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß dieser Ausführungsform. Teile, die identisch sind mit oder denjenigen in der zweiten Ausführungsform entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird der Kürze halber hier weggelassen. 10 zeigt ein Flußdiagramm, welches die Steuerverarbeitung wiedergibt, die in der Steuereinheit 40 implementiert wird.
In 9 ist ein erster Luftdrucksensor 71 in dem Luftkanal 20 in der Nähe des Lufteinlaßabschnittes des Brennstoffzellenstapels 10 plaziert, um einen Luftdruck Pain (der im folgenden auch als ein "Einlaßabschnitt-Luftdruck" bezeichnet wird) auf der Lufteinlaßseite im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen, während ein zweiter Luftdrucksensor 72 in dem Luftkanal 20 in der Nähe oder Nachbarschaft des Luftauslaßabschnitts des Brennstoffzellenstapels 10 plaziert ist, um einen Luftdruck Paout (der im folgenden auch als ein "Auslaßabschnitt-Luftdruck" bezeichnet wird) auf der Luftauslaßseite im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen. In diesem Zusammenhang gilt Pain > Paout auf Grund es Ventilationswiderstandes.
Zusätzlich ist ein erster Wasserstoffdrucksensor 81 in dem Brennstoffkanal 30 in der Nähe oder Nachbarschaft des Brennstoffzellenstapels 10 gelegen, um einen Wasserstoffdruck Phin (der im folgenden auch als "Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck" bezeichnet wird) auf der Wasserstoffeinlaßseite im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen, während ein zweiter Wasserstoffdrucksensor 82 in dem Brennstoffkanal 30 in der Nähe oder Nachbarschaft des Wasserstoffauslaßabschnitts des Brennstoffzellenstapels 10 gelegen ist, um einen Wasserstoffdruck Phout (der im folgenden auch als ein "Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck" bezeichnet wird) auf der Wasserstoffauslaßseite im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen. In diesem Zusammenhang gilt Phin > Phout auf Grund des Ventilationswiderstandes.
Der erste Luftdrucksensor 71 entspricht der Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung bei der vorliegenden Erfindung, der zweite Luftdrucksensor 72 entspricht der Oxidiergas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung, der Wasserstoffdrucksensor entspricht der Brennstoffgas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung und der zweite Wasserstoffdrucksensor 82 entspricht der Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung.
Es folgt nun als Zweites eine Beschreibung einer Betriebsweise, die durchgeführt wird, um die Druckdifferenz zwischen einem Wasserstoffdruck und einem Luftdruck in Einklang mit einem Diagnoseergebnis bei einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 10 zu steuern, und zwar unter Hinweis auf 10.
Zu allererst wird bei einem Schritt S220 eine Entscheidung getroffen, und zwar auf der Grundlage eines Betriebszustands-Diagnoseergebnisses (siehe den Schritt S140 in 4) bei dem Brennstoffzellenstapel 10, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in einem Übermaßzustand vorhanden ist oder nicht, oder konkreter ausgedrückt, ob eine Zelle existiert, in der Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite vorherrscht.
Wenn in Betracht gezogen wird, daß eine Zelle existiert, in welcher Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite vorherrscht, wird bei einem Schritt S221 ein Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phout gelesen und es wird bei einem Schritt S222 ein Einlaßabschnitt-Luftdruck Pain gelesen, gefolgt von einem Schritt S223, um die Steuerung zu implementieren, wodurch der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phout erhöht wird, und zwar durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32, so daß eine Druckdifferenz ΔP (ΔP = Phout – Pain) zwischen dem Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phout und dem Einlaßabschnitt-Luftdruck Pain einen ersten Einstellwert P1 überschreitet, der aus einem positiven Wert besteht.
Somit wird der Auslaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phout, der in dem Wasserstoffkanal im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 einen minimalen Druck erreicht, gesteuert, so daß er relativ höher wird, und zwar in bezug auf den Einlaßabschnitt- Luftdruck Pain, der zu einem maximalen Druck in dem Luftkanal im Inneren des Brennstoffstapels 10 wird, und es wird damit der Wasserstoffdruck höher als der Luftdruck, und zwar in der gesamten internen Zone des Brennstoffzellenstapels 10, wodurch die Wirkung sichergestellt wird, daß Wasser auf der Brennstoffelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Luftelektrodenseite ausgestoßen wird.
Wenn auf der anderen Seite die Entscheidung bei dem Schritt S220 "NEIN" lautet, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S230, um einen Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin zu lesen, und verläuft dann weiter zu einem Schritt S231, um einen Auslaßabschnitt-Luftdruck Paout zu lesen, gefolgt von einem Schritt S232.
Bei dem Schritt S232 wird eine Entscheidung auf der Grundlage des Operationszustands-Diagnoseergebnisses getroffen (siehe den Schritt S140 in 4), und zwar in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 10, ob Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in einem unzureichenden Zustand vorhanden ist oder nicht, konkreter ausgedrückt, ob die Elektrolytmembran sich in einem trockenen Zustand befindet oder nicht. Wenn in Betracht gezogen wird, daß die Elektrolytmembran getrocknet ist, verläuft der Operationsfluß zu einem Schritt S233.
Bei dem Schritt S233 wird durch Steuerung unter Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 der Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin abgesenkt, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin und dem Auslaßabschnitt-Luftdruck Paout unter einen zweiten Einstellwert P2 fällt, der aus einem negativen Wert besteht.
Somit wird der Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin, der in dem Wasserstoffkanal im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 einen maximalen Druck erreicht, so gesteuert, daß er in bezog auf den Auslaßabschnitt-Luftdruck Paout relativ niedriger wird, der in dem Luftkanal im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 einen minimalen Druck erreicht, so daß damit der Wasserstoffdruck niedriger wird als der Luftdruck, und zwar in der gesamten inneren Zone des Brennstoffzellenstapels 10, was die Wirkung sicherstellt, daß Wasser von der Luftelektrodenseite durch die Elektrolytmembran hindurch zu der Brennstoffelektrodenseite bewegt wird.
Auf der anderen Seite wird in einem Fall, bei dem Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 einen geeigneten Wert hat, oder konkreter ausgedrückt, wenn Wasser nicht auf der Brennstoffelektrodenseite steht und die Elektrolytmembran sich nicht in einem trockenen Zustand befindet, die Entscheidung bei dem Schritt S220 und S230 "NEIN" lautet, und der Operationsfluß verläuft dann weiter zu einem Schritt S240.
Bei dem Schritt S240 wird durch die Verwendung des Wasserstoffdruckregulierventils 32 der Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin in solcher Weise gesteuert, daß die Druckdifferenz zwischen dem Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin und dem Auslaßabschnitt-Luftdruck Paout reduziert wird, konkreter ausgedrückt, es fällt der Absolutwert der Druckdifferenz zwischen dem Einlaßabschnitt-Wasserstoffdruck Phin und dem Auslaßabschnitt-Luftdruck Paout unter einen dritten Einstellwert P3, der aus einem positiven Wert besteht. Die Implementierung dieses Steuervorgangs schafft die Möglichkeit, daß Wasser im Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 in einem geeigneten Zustand aufrecht erhalten wird. In diesem Fall wird der dritte Einstellwert P3 so eingestellt, daß er niedriger ist als der erste Einstellwert P1, und daß er niedriger ist als der Absolutwert des zweiten Einstellwertes P2.
Andere Ausführungsform
Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Druckregelventile 23 und 32 jeweils in dem Luftkanal 20 und in dem Brennstoffkanal 30 vorgesehen sind, ist es auch angebracht, daß beispielsweise ein Druckregulierventil lediglich in einem der Kanäle vorgesehen wird, und daß der Rohrdurchmesser des anderen Kanals festgelegt wird, so daß der Öffnungsgrad des Druckregulierventils, welches in dem einen Kanal vorgesehen ist, eingestellt wird, um die Druckdifferenz zwischen dem Oxidiergasdruck und dem Brennstoffgasdruck zu steuern.
Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, und daß beabsichtigt ist, alle Änderungen und Modifikationen der Ausführungsformen der Erfindung mit zu erfassen, die keine Abweichungen vom Rahmen der Erfindung darstellen.

Claims

Brennstoffzellensystem, mit: einem Brennstoffzellenstapel, der durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidiergas, welches als Hauptkomponente Sauerstoff enthält, und einem Brennstoffgas, welches als Hauptkomponente Wasserstoff enthält, elektrische Energie erzeugt; wenigstens einer ersten Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen eines Druckes des Oxidiergases, welches dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, und einer zweiten Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen eines Druckes des Brennstoffgases, welches dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist; und einer Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung zum Diagnostizieren eines Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels, wobei eine Differenz zwischen dem Druck des Oxidiergases und dem Druck des Brennstoffgases in Einklang mit einem Ergebnis der Diagnose durch die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung gesteuert wird.
System nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn diagnostiziert wird, daß internes Wasser in dem Brennstoffzellenstapel in einem übermäßigen Maß vorhanden ist, die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidiergas derart gesteuert oder geregelt wird, daß der Druck des Brennstoffgases höher wird als der Druck des Oxidiergases.
System nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn diagnostiziert wird, daß das interne Wasser des Brennstoffzellenstapels zu wenig ist, die Druckdifferenz zwischen dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas in solcher Weise gesteuert oder geregelt wird, daß der Druck des Brennstoffgases niedriger wird als der Druck des Oxidiergases.
System nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn diagnostiziert wird, daß das interne Wasser des Brennstoffzellenstapels eine geeignete Menge aufweist, die Druckdifferenz zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidiergas reduziert wird.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Wassermenge-Einstelleinrichtung zum Steuern des Wassergehaltes von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas, so daß der Wassergehalt von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas reduziert wird, wenn eine Wassersättigung des Brennstoffgases als übermäßig diagnostiziert wird.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Wassermenge-Einstelleinrichtung zum Steuern eines Wassergehaltes von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas, so daß der Wassergehalt von wenigstens einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas erhöht wird, wenn diagnostiziert wird, daß das Innere des Brennstoffzellenstapels einen trockenen Zustand aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem die Druckdifferenz zwischen dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas lediglich für eine festgelegte Zeitdauer in Einklang mit dem Ergebnis der Diagnose gesteuert oder geregelt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem dann, wenn ein integrierter Wert der Ströme, die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden, einen vorbestimmten Wert überschreitet, die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung eine Diagnose durchführt, dahingehend, daß Wasser in dem Brennstoffzellenstapel in einem übermäßigen Maße vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl an Zellen enthält, und bei dem die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung eine Diagnose hinsichtlich des Wasserzustandes des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage eines Dispersionszustandes der erzeugten Spannungen unter den Zellen durchführt.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung eine Wassermenge-Meßeinrichtung umfaßt, die in wenigstens einem Abschnitt gemäß einem Oxidiergas-Auslaß-/Einlaßabschnitt des Brennstoffzellenstapels und einem Brennstoffgas-Auslaß-/Einlaßabschnitt desselben vorgesehen ist, um eine Wassermenge des Gases zu messen.
System nach Anspruch 1, bei dem die Wasserzustands-Diagnoseeinrichtung eine Widerstandsmeßeinrichtung enthält, um einen Widerstand einer Elektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels zu messen.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Einlaßdruckes des Oxidiergases im Inneren des Brennstoffzellenstapels, und einer Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Auslaßdruckes des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels, wobei der Druck des Oxidiergases und der Druck des Brennstoffgases in Einklang mit den Meßergebnissen der Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung und der Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung gesteuert oder geregelt werden.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Oxidiergas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Einlaßdruckes des Oxidiergases im Inneren des Brennstoffzellenstapels, einer Oxidiergas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Auslaßdruckes des Oxidiergases im Inneren des Brennstoffzellenstapels, einer Brennstoffgas-Einlaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Einlaßdruckes des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels und mit einer Brennstoffgas-Auslaßdruck-Meßeinrichtung zum Messen eines Auslaßdruckes des Brennstoffgases im Inneren des Brennstoffzellenstapels, wobei der Druck des Oxidiergases und der Druck des Brennstoffgases auf der Grundlage des Ausgangsdruckes von einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas gesteuert oder geregelt werden, und wobei das Brennstoffgas so gesteuert wird, daß es einen höheren Druck erreicht als das andere Gas, und wobei der Einlaßdruck von einem der Gase gemäß dem Oxidiergas und dem Brennstoffgas so gesteuert oder geregelt wird, daß dessen Druck niedriger liegt als derjenige des anderen Gases.