DE10107127B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket (1);
einer Wasserstoffzuführungseinheit (2) zum Zuführen von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket (1);
einer Luftzuführungseinheit (3) zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenpaket (1);
einer Wasserstoffgasansaugpumpe (12), die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) angeordnet ist zum Ansaugen von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket (1);
einem ersten Wasserstoffgassteuerventil (11), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad aufweist; und
eine Steuereinheit (5) zum Steuern der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems, wobei die Steuereinheit (5) zum Bestimmen eines übermäßigen Niveaus von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) und zum Erhöhen der Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) vorgesehen ist, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist, und vorgesehen ist, den Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) zunächst zu verringern und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) zu öffnen, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) zu spülen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben, und bezieht sich insbesondere auf ein Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben.
  • Es wurde vorgeschlagen, eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu verwenden, die eine Polymermembran als ein Elektrolyt verwendet. Die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist vorteilhaft gegenüber Brennstoffzellen, die ein flüssiges Elektrolyt verwenden dahingehend, dass das Elektrolyt nicht nach außen ausströmt, und dass sie als Energiequelle in Kraftfahrzeugen in hohem Maße geeignet erscheinen. Bei der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle funktioniert die Polymermembran, die als Elektrolyt dient, nicht vollständig als Ionenleiter, außer wenn die Polymermembran mit Feuchtigkeit in einem bestimmten Ausmaß gesättigt ist. Um diese Situation zu überwinden, wurde vorgeschlagen, Wasserstoffgas mit Feuchtigkeit einem Brennstoffzellenpaket zuzuführen, wie in der japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. H7-263010 ( JP 07263010 A ) offenbart ist.
  • In dem Fall, dass Feuchtigkeit der Polymermembran während der Arbeitsweise der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zugeführt wird, wird jedoch bewirkt, dass Feuchtigkeit in der Polymermembran in einer übermäßigen Menge verbleibt unter den Bedingungen, dass die Brennstoffzelle mit einem unter-stöchiometrischen Verhältnis betrieben wird. Dadurch verbleibt überschüssige Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle, verringert die elektrische Leistungsabgabe, die durch bestimmte Brennstoffzellen erzeugt werden, mit einem daraus resultierenden Problem, das in der Arbeitsleistung der Brennstoffzelle begründet ist.
  • Um eine solche Situation zu überwinden ist es eine wirksame Praxis, sofort überschüssiges Wasserstoffgas, das nicht in der Brennstoffzelle reagiert, aus dieser mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit abzulassen und die Feuchtigkeit mit dem überschüssigem Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle zu spülen.
  • Bei einem Spülprozess der Feuchtigkeit ist es denkbar, den Betriebsdruck eines Brennstoffzellenpaketes zu erhöhen, um augenblicklich die Strömungsgeschwin digkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen ist, zu erhöhen. Es ist jedoch zu beachten, daß eine augenblickliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen ist, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket durch Erhöhen des Betriebsdrucks des Brennstoffzellenpaketes zu entfernen, ein Erhöhen eines elektrischen Leistungsverbrauches bewirkt der für die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle unerwünscht ist, bei der die Absicht besteht, sie als Energiequelle für ein Kraftfahrzeug zu verwenden.
  • Weiterhin, wenn ein Steuersystem, das die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle steuert, so modifiziert wird, dass es eine Spülbehandlung der Feuchtigkeit ausführt, wird das Steuersystem im Aufbau kompliziert, und der gesamte Aufbau des Steuersystems wird großbauend mit einem daraus resultierenden Nachteil, für eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die als Energiequelle des Kraftfahrzeuges dient.
  • Aus der älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 100 07 973 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Polymerelektrolyt bekannt. In diesem Polymerelektrolytbrennstoffzellensystem wird ein Zustand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen präzise bestimmt, wobei eine entsprechende Steuerung durchgeführt wird, derart, daß der Zustand der Befeuchtung der Elektrolytmembranen im Wesentlichen innerhalb eines geeigneten Bereiches bleibt.
  • Dieses System umfasst eine Brennstoffgaszuführvorrichtung zum Zuführen eines wasserstoffhaltigen Brenngases zu der Polymerelektrolytbrennstoffzelle, einen Brennstoffgasbefeuchter zum Befeuchten des Brennstoffgases, eine Zuführvorrichtung zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Gases, z. B. Luft zu der Brennstoffzelle, einen Befeuchter, um das sauerstoffhaltige Gas zu befeuchten, eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle, und eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems. Die Brennstoffgaszuführvorrichtung gemäß dieser Druckschrift kann z. B. einen Reformer aufweisen, der einen Kohlenwasserstoffbrennstoff wie Methanol, Methan oder dergleichen zu einem wasserstoffreichen Brennstoffgas reformiert und dieses Brennstoffgas der Brenn stoffzelle zuführt oder ein Brennstoffgaslagerungstank sein, der ein wasserstoffhaltiges Brennstoffgas lagert.
  • Die Brennstoffzelle weist Auslassrohrleitungen auf, die jeweils mit Druckregelventilen ausgestattet sind, so daß der Druck des Brennstoffgases und der Druck des sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle eingestellt werden kann. Aktuatoren dieser Druckregelventile sind über Signalleitungen mit der elektronischen Steuereinheit verbunden, so daß die Aktuatoren durch die elektronische Steuereinheit angetrieben und gesteuert werden.
  • Wird gemäß dieser Druckschrift eine übermäßige Befeuchtung der Brennstoffzelle erkannt, so wird der Gasdruck des Brennstoffgases und des sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle durch Öffnen der Druckregelventile verringert und gleichzeitig der Befeuchtungsgrad des Brennstoffgases und des Sauerstoffgases durch die jeweiligen Befeuchter reduziert.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, bei dem in einfacher Weise eine hohe Leistungsfähigkeit sichergestellt ist.
  • Gemäß dem Vorrichtungsaspekt der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
  • Gemäß dem Verfahrensaspekt der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9 gelöst.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
  • Auf vorteilhafte Weise wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern desselben geschaffen, das im Aufbau einfach ist und in der Lage ist, auf geeignete Weise eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle mit einer geeigneten Spülbehandlung von Feuchtigkeit zu betreiben, ohne dass ein beachtliches Anwachsen des elektrischen Leistungsverbrauchs bewirkt wird.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre darstellt;
  • 2 ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform;
  • 3 Zeitablaufdiagramme, die die Arbeitsweise eines Spülablaufs gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
  • 4 ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre;
  • 5 ein Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre;
  • 6 ein Blockdiagramm eine vierten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre;
  • 7 ein allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der vierten Ausführungsform;
  • 8 ein Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre; und
  • 9 ein Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre.
  • Eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens zum Steuern desselben in Übereinstimmung mit jeder der Ausführungsformen der vorliegenden technischen Lehre wird nun im Einzelnen unter geeigneter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gegeben.
  • Als erstes wird ein Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Steuern desselben gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre darstellt.
  • In der ersten Ausführungsform schließt das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellenpaket des Typs einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die ein Polymerelektrolyt verwendet, eine Wasserstoffzuführungseinheit 2, die dem Brennstoffzellenpaket 1 Wasserstoffgas als Brennstoff zuführt; eine Luftzuführungseinheit 3, die Luft durch einen Luftzuführdurchgang Pa1 dem Brennstoffzellenpaket 1 als Oxidationsmittel zuführt, eine Brennkammer 4, die überschüssiges Wasserstoffgas verbrennt, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, und eine Steuereinheit 5 ein, die verschiedene Teile des Brennstoffzellensystems steuert.
  • Die Wasserstoffzuführungseinheit 2 schließt einen Reformer 6 und einen CO-Abscheider 7 ein. Der Reformer 6 formt Brennstoff, wie z. B. Methanol mit Dampf um, um ein Mischgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Das Kohlenmonoxidgas wird mit dem CO-Abscheider 7 entfernt, und reines Wasserstoffgas wird erzeugt. Das reine Wasserstoffgas, das aus dem CO-Abscheider 7 strömt, wird durch einen Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt. Kohlenmonoxidgas, das aus dem CO-Abscheider 7 entfernt wird, wird zu der Brennkammer 4 geleitet. Es ist anzumerken, dass die Wasserstoffzuführungseinheit 2 durch einen Wasserstofftank ersetzt werden kann. Auch kann der CO-Abscheider 7 durch eine Wasserstoffabtrennmembran ersetzt werden.
  • Der Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 zwischen der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und dem Brennstoffzellenpaket 1 hat ein Strömungssteuerventil 8, das die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird, regelt, und einen Befeuchter 9, der Wasserstoffgas, das aus dem Strömungssteuerventil 8 strömt, befeuchtet. Demzufolge wird das Brennstoffzellenpaket 1 mit Wasserstoffgas versorgt, das mit dem Befeuchter 9 solcher Art befeuchtet ist, dass das Polymerelektrolyt des Brennstoffzellenpaketes 1 mit Feuchtigkeit versorgt wird, und das Polymerelektrolyt hat einen Ionenleiter. Es ist hierbei anzumerken, dass in dieser Ausführungsform, obwohl der Befeuchter 9 in dem Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1 angeordnet ist, um Wasserstoffgas zu befeuchten, Wasserstoffgas auch durch andere Verfahren befeuchtet werden kann, z. B. durch Befeuchten von Wasserstoffgas oder Luft, um Feuchtigkeit dem Polymerelektrolyt mit Kühlwasser zuzuführen, das zum Kühlen des Brennstoffzellenpaketes 1 verwendet wird.
  • Die Luftzuführungseinheit 3 kann auch einen Luftkompressor und einen Entionisierungsfilter einschließen, solcher Art, dass Luft anfänglich mit dem Luftkompressor komprimiert wird und darauffolgend entionisiert wird, um reine Luft zu erzeugen, die dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird.
  • Das Brennstoffzellenpaket 1 erzeugt eine Ausgangsspannung, die durch ein Zellenspannungsüberwachungsgerät ermittelt wird, das jede Zellenspannung in dem Brennstoffzellenpaket 1 überwacht, um ein Ermittlungssignal, das eine Zellenspannung repräsentiert, zu erzeugen. Das Brennstoffzellenpaket 1 wird mit dem Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 solcher Art überwacht, dass die Ausgangsspannung, die durch jede Zelle erzeugt wird, ermittelt wird, um den gesamten Ausgangsspannungszustand des Brennstoffzellenpaketes 1 zu jeder Zeit zu überwachen. Ein Stromstärkedetektor ED ist mit dem Brennstoffzellenpaket 1 verbunden, um eine Stromstärke, die dort hindurchfließt, zu erfassen.
  • Die Brennkammer 4 ist an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes 1 angeordnet. Das überschüssige Wasserstoffgas, das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht wurde, und überschüssige Luft, die nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht wurde, werden durch einen Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 und einen Luftausströmdurchgang Pa2 jeweils der Brennkammer 4 zugeführt. Überschüssiger Wasserstoff und überschüssige Luft werden in der Brennkammer 4 verbrannt, wodurch Wärmeenergie erzeugt. Die Wärmeenergie wird dem Reformer 6 der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und anderen Vorrichtungen zugeführt, die die Wärmeenergie erfordern.
  • Ein Wasserstoffsteuerventil 11 ist in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 an einer Stelle zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher Art gesteuert, dass der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 geregelt wird. Weiterhin ist eine Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher Art gesteuert, dass die Ansaugleistung des Wasserstoffs gesteuert wird. Das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 haben die Funktion, die Strömungsgeschwindigkeit und den Druck des Wasserstoffgases, das durch den Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 strömt, jeweils zu regulieren. In der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 und die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 durch die Steuereinheit 5 in einer Weise gesteuert, die im Einzelnen später beschrieben wird, solcher Art, dass Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, mit einer gewünschten Strömungsgeschwindigkeit gespült wird.
  • Die Steuereinheit 5 schließt eine CPU, ein ROM und ein RAM usw. solcher Art ein, dass die CPU ein Steuerprogramm trägt, das in der ROM mit Hilfe der RAM gespeichert ist, um dadurch den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11, die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die anderen zugehörigen Teile zu steuern.
  • In einem solchen Brennstoffzellensystem, das oben erläutert wurde, werden Wasserstoffgas, das durch die Wasserstoffzuführungseinheit 2 erzeugt wurde und mit dem Befeuchter 9 befeuchtet wurde und Luft, die von der Luftzuführungseinheit 3 strömt dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt, das eine elektrische Leistungsabgabe erzeugt. Überschüssiges Wasserstoffgas und überschüssige Luft werden in der Brennkammer 4 verbrannt, wodurch die Wärmeenergie erzeugt wird. Wenn unter diesen Umständen das Brennstoffzellenpaket mit einem unterstöchiometrischen Verhältnis arbeitet, verbleibt eine übermäßige Menge an Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1. Wenn die überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 in einer übermäßigen Menge verbleibt, wird ein Anteil elektrischer Leistungsabgabe, die durch das Brennstoffzellenpaket zu erzeugen ist, verringert. Um dieses Problem zu überwinden, schlägt die vorliegende technischen Lehre vor, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 solcher Art zu spülen, dass Produktwasser aus dem Brennstoffzellenpaket 1 entfernt wird.
  • Hierin wird ein Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 im Einzelnen unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird beim Start, d. h., wenn der Spülablauf gestartet wird, ein Spannungsabfall in dem Brennstoffzellenpaket 1 durch das Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 in dem Ausführungsschritt S1-1 ermittelt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall repräsentiert. Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben. Die Steuereinheit 5 reagiert auf das Ausgangssignal, das den Zellenspannungsabfall repräsentiert und ermittelt, dass für das Brennstoffzellenpaket 1 eine Spülung notwendig ist. Wenn dieses auftritt, funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass das Strömungssteuerventil 8 solcher Art gesteuert wird, dass das stöchiometrische Verhältnis momentan abgesenkt wird, um das Brennstoffzellenpaket 1 zu schützen.
  • In dem nächsten Schritt S1-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird, der größer als für einen normalen Betrieb erforderlich ist, um die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen. Dadurch wird ein Abfall des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Seite einer Brennstoffelektrode in einem Spülablauf beschränkt. In diesem Fall wird der Druck des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 geringfügig auf eine Größe abgesenkt, die der Erhöhung der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 entspricht, wie in dem Zeitintervall t0 bis t1 in 3 zu sehen ist.
  • In dem folgenden Schritt S1-3 entscheidet die Steuereinheit 5, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die erzeugt wird, nachdem die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht ist, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung wiedererlangt ist aufgrund des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Seite der Brennstoffelektrode infolge des Ansteigens der Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Zellenspannung die Referenzspannung überschreitet, entscheidet die Steuereinheit 5 in Schritt S1-4, dass eine Spülung unnötig ist, und funktioniert in Schritt S1-5 so, dass die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf einen ursprünglichen Leistungspegel zurückgesetzt wird. Da es in diesem Fall unnötig ist, das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode wieder zu erhöhen, wenn die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückgeführt wird, modifiziert die Steuereinheit 5 einen Steuerzielwert in Schritt S1-6, solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Schritt S1-7 wird eine normale Arbeitsweise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
  • Wenn andererseits in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in dem Schritt S1-3 ermittelt, dass die Zellenspannung, die erzeugt wird, nachdem die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht wird, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger als die Referenzspannung ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert in Schritt S1-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 erhöhte Druckverluste hat. Demzufolge wird der Druck am Punkt P2 in 1, d. h., der Druck an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 entlang einer Kurve P2 in 3 während eines Zeitintervalls zwischen t1 und t2 solcher Art abgesenkt, dass eine Niedrigdruckzone an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen wird.
  • Falls in dem obigen Schritt die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 bleibt, um kontinuierlich die erhöhte Wasserstoffansaugleistung zu haben, wird Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 mit einer verminderten Strömungsgeschwindigkeit abgelassen. In Schritt S1-9 erhöht demzufolge die Steuereinheit 5 ferner die Ausgangsleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 um eine Menge, die gleich einem Wert ist, die den Druckverlusten entspricht, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 verursacht werden. Entsprechenderweise wird der Druck am Punkt P1 in der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten, wie durch die gestrichelte Kurve P1 in 3 gezeigt ist. In diesem Fall verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt, nicht in einem breiten Bereich, und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 wird abgesenkt.
  • Wenn in dem nächsten Schritt S1-10 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn eine Niedrigdruckzone mit einem genügenden Pegel an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 bestätigt wird, öffnet die Steuereinheit 5 vollständig das Wasserstoffsteuerventil 11 in Schritt S1-11 und vermindert die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf ihr ursprüngliches Niveau, das für einen normalen Betrieb geeignet ist. In dem darauffolgenden Schritt S1-12 wird eine augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, solcher Art erhöht, dass Feuchtigkeit mit dem Wasserstoffgas entfernt wird, und somit Produktwasser gespült wird. Da in diesem Fall die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf einen niedrigen Wert gesetzt ist, die einem Wert entspricht, der für einen normalen Betrieb erforderlich ist, wird verhindert, dass der Brennkammer 4 unerwünscht eine große Menge an ausströmenden Wasserstoffgas auf einmal zugeführt wird.
  • Es sollte angemerkt werden, dass, nachdem die augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abge lassen wird, erhöht wird, und die Feuchtigkeit mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit gespült wird, der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite auf einem Niveau verbleiben, das geringfügig niedriger ist, als das ursprüngliche Niveau für einen normalen Betrieb. Wenn in Schritt S1-13 ermittelt wird, dass der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 im Wesentlichen gleich dem Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite ist und dass das Spülen der Feuchtigkeit beendet ist, steuert die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Schritt S1-15 solcher Art, dass dem Brennstoffzellenpaket 1 Wasserstoffgas aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. In Schritt S1-15 wird der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite augenblicklich wiedererlangt mit einem Wert, der nahezu gleich einem vorgegebenen Druckpegel Pop ist, der für einen normalen Betrieb erforderlich ist, wie zum Zeitpunkt t4 in 3 zu sehen ist.
  • Wenn der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite mit einem Wert wiedererlangt wird, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck ist, der für einen normalen Betrieb erforderlich ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in Schritt S1-16, ob die Zellenspannung, die nach dem Spülvorgang erzeugt ist, wie oben erläutert, die vorbestimmte Referenzspannung überschreitet. In dem Fall, dass die Zellenspannung aufgrund der Spülbehandlung wiedererlangt ist und der vorgegebene Referenzwert überschritten ist, wird der Spülablauf in Schritt S1-17 beendet, und der Betrieb kehrt zur normalen Betriebsart zurück.
  • Wenn in Schritt S1-16 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 nicht vollständig entfernt wurde, und der Ablauf kehrt zu Schritt S1-8 zurück, und dann werden die Schritte S1-8 bis S1-15 wiederholt.
  • Wenn in der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzel lenpaket 1 angesammelt wird, wird überschüssige Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült. Entsprechenderweise macht es das Brennstoffzellensystem der Ausführungsform möglich, effektiv zu verhindern, dass der Spannungsabfall in der Brennstoffzelle durch eine überschüssige Feuchtigkeit verursacht wird, die sich in dem Brennstoffzellenpaket angesammelt hat, und dass das Brennstoffzellenpaket 1 in seiner normalen Arbeitsbetriebsart beibehalten wird.
  • Da bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform außerdem Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 durch Steuern des Öffnungsgrades des Wasserstoffsteuerventils 11 und durch Steuern der Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 gesteuert wird, ist das Brennstoffzellensystem im Aufbau nicht kompliziert und ein Spülen der Feuchtigkeit wird wünschenswerterweise mit einem äußerst einfachen Aufbau ausgeführt.
  • Da bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform gemäß der vorliegenden technischen Lehre es nicht erforderlich ist, den Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf einen höheren Pegel mit Blick auf Spülen der Feuchtigkeit anzuheben, ist es möglich, beträchtlich den elektrischen Stromverbrauch zu vermindern, was bewirkt würde, wenn der Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf einen höheren Pegel angehoben würde. Bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform ist es insbesondere beabsichtigt, dass die Wasserstoffansaugpumpe 1 für überschüssiges Wasserstoffgas arbeitet, das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur elektrischen Stromerzeugung zur Reaktion gelangte und wird aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen. Wenn zusätzlich das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenpaketes 1 einen kleinen Wert hat, ist der Anteil der Arbeit, die durch die Wasserstoffansaugpumpe 12 auszuführen ist, gering. Da das Spülen der Feuchtigkeit mit einem geringen Arbeitsaufwand erzielt wird, kann der elektrische Stromverbrauch beträchtlich auf einen niedrigen Pegel verringert werden, der für einen Fall erforderlich ist, wo Feuchtigkeit mit einem hohen Betriebsdruck gespült wird, der in dem Brennstoffzellenpaket 1 verursacht wird.
  • Ferner wird bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform überschüssiges Wasserstoffgas, das nicht zum Erzeugen von elektrischer Leistung in dem Brenn stoffzellenpaket 1 beiträgt, in der Brennkammer 4 verbrannt, um Wärmeenergie zu erzeugen. Da diese Wärmeenergie Teilen verliehen wird, wie z. B. dem Reformer 6 der Wasserstoffzuführungseinheit 2, wo die Wärmeenergie erforderlich ist, wird überschüssiger Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, effektiv verwendet, und das Brennstoffzellenpaket 1 kann in einer besonders wirksamen Weise betrieben werden.
  • Eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. In dieser dargestellten Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von 4 sind jenen von 1 identisch, und daher wird nur ein wichtiger Teil dieser dargestellten Ausführungsform im Detail beschrieben.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem von 4 kann Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, in dem gleichen Spülablauf gespült werden, wie bei dem Brennstoffzellensystem, das in 1 gezeigt ist. Da bei dem Brennstoffzellensystem, das in 4 gezeigt ist, der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird eine Niedrigdruckzone, die ein großes Volumen hat, an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 gebildet, wenn der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen niedrigen Pegel verringert wird. Das heißt, wenn der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird die Niedrigdruckzone sowohl durch die Volumen des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 als auch das Volumen des Wasserstofftanks 13 gebildet.
  • Wenn in entsprechender Weise bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, kann eine große Menge an Wasser stoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen werden, und daher kann die Feuchtigkeit in einer besonders wirksamen Weise gespült werden.
  • Da bei der zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems außerdem der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist und das Volumen der Niedrigdruckzone erhöht wird, tritt das Wasserstoffgas, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt, in die Niedrigdruckzone ein, die das große Volumen hat, und die Geschwindigkeitsenergie des Wasserstoffgases wird durch die Niedrigdruckzone absorbiert. Somit wird verhindert, dass der Brennkammer 4 schnell Wasserstoffgas mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird.
  • Entsprechenderweise ist es in der zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems möglich, einen übermäßigen Temperaturanstieg in der Brennkammer 4 zu verhindern, der verursacht würde, wenn der Brennkammer 4 augenblicklich Wasserstoffgas mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit zugeführt würde, und daher wird verhindert, dass die Brennkammer 4 in seiner Betriebsleistung vermindert würde.
  • Eine dritte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie jene, die in 1 verwendet werden, tragen. Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 5 ist ein Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 mit dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 verbunden, der sich von der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpakets 1 erstreckt, um das überschüssige Wasserstoffgas dem Brennstoffzellenpaket 1 rückzuführen, und das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 sind in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 angeordnet. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von 5 sind im Wesentlichen jenen, die in 1 gezeigt sind, identisch, und arbeiten in der gleichen Weise, und daher wird ein wesentliches Merkmal der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems nachstehend beschrieben.
  • Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 5 hat der Wasserstoffgasausströmdurchgang Ph2 ein zweites Wasserstoffsteuerventil 14, um die Strömungsgeschwindigkeit des überschüssigen Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zuzuführen ist, zu regeln. Das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 ist solcher Art gestaltet, dass es in einem geschlossenen Zustand gehalten wird oder mit einem kleinen Öffnungszustand gehalten wird, und das gesamte oder der meiste Teil des überschüssigen Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 strömt, wird durch den Rückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt.
  • Die dritte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems von 5 arbeitet mit dem gleichen Spülablauf wie die des Brennstoffzellensystems von 1, solcher Art, dass die Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, gespült werden kann. Da bei dem Brennstoffzellensystem von 5 Wasserstoffgas, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Rückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt wird und wieder dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird, kann Wasserstoffgas, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit des Wasserstoffgases kann solcher Art erhöht werden, dass die Menge an Wasserstoffgas, der dem Brennstoffzellenpaket 1 zuzuführen ist, von der Wasserstoffzuführungseinheit 2, vermindert werden kann. Da auch die Menge an Wasserstoffgas, das über den Rückführdurchgang Ph3 zurückgeführt wird, einer Veränderung in der Abhängigkeit des stöchiometrischen Verhältnisses an der Brennstoffelektrode oder der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zugeführt wird, bewirkt, ist es wünschenswert, dass die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Abhängigkeit von der Veränderung der Strömungsrate des Wasserstoffgases, das zurückgeführt wird, steuert, um dadurch die Strömungsrate des Wasserstoffgases, das erneut dem Brennstoffzellenpaket von der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, verändert.
  • Da in der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems Feuchtigkeit, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, über den Ablassgasrückführungsdurchgang Ph3 und dem Befeuchter 9 dem Brennstoffzellenpaket 1 zusammen mit dem überschüssigen Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zurückführt, kann Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 wiedergewonnen wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit von Wasser wird erhöht. Da außerdem Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 aufgrund des Spülens der Feuchtigkeit abgelassen wird, eine Flüssigkeitskomponente umfasst, ist es wünschenswert, dass, wenn die Temperatur des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 1 zuzuführen ist, auf einem niedrigen Niveau ist und Feuchtigkeit nicht mit der Wärmeenergie des Wasserstoffgases verdampft werden kann, ein Verdampfer in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 angeordnet sein kann, um die Flüssigkeitskomponente bei der Feuchtigkeit zu verdampfen, oder ein Kondensator kann vorgesehen sein, um die Flüssigkeitskomponente, die dem Brennstoffzellenpaket 1 wieder zuzuführen ist, zu kondensieren.
  • In der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems kann außerdem das Wasserstoffsteuerventil 11, wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, an einer Position stromaufwärts einer Verbindung BP zwischen dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 und dem Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 angeordnet sein, um den gleichen Effekt zu haben.
  • Eine vierte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von 6 ist im Aufbau zum Brennstoffzellensystem, das in 5 gezeigt ist gleich, und gleiche Teile tragen die gleichen Bezugszeichen, wie die, die in 5 gezeigt sind. In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 parallel zu dem ersten Wasserstoffsteuerventil 11 angeordnet und ist so ausgestaltet, dass es einen Öffnungsgrad aufweist, der durch die Steuereinheit 5 gesteuert wird, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen. In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist außerdem das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 so ausgestaltet, dass es zu schließen ist oder einen verminderten Öffnungsgrad hat, wie das Brennstoffzellensystem von 5, während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems, und somit wird das gesamte oder meiste Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Wasserstoffgasrückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem von 6 wird darüber hinaus Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült und gleichzeitig wird die CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, die durch den Wasserstoffrückrührdurchgang Ph3 zurückgeführt wird, abgesenkt. Das heißt, ein CO-Sensor 15 ist mit einer stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes 1 verbunden.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem von 6 ist außerdem der Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 geringfügig unterschiedlich von jedem der ersten bis dritten Ausführungsform der Brennstoffzellensysteme, welche oben erläutert wurden. Ein Feuchtigkeitsspülprozess zum Spülen der Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, wird in Übereinstimmung mit der vierten Ausführungsform der technischen Lehre nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
  • Bei dieser dargestellten Ausführungsform wird beim Start, d. h. wenn der Spülablauf gestartet wird, ein Spannungsabfall des Brennstoffzellenpaketes 1 durch das Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 in dem Ausführungsschritt S2-1 ermittelt, das ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall repräsentiert. Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben. Die Steuereinheit 5 steuert das Strömungssteuerventil 8 solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis momentan verringert wird.
  • In dem nächsten Schritt S2-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird, der größer ist, als der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Als ein Ergebnis dessen wird ein Abfall des stöchiometrischen Verhältnisses auf der Seite der Brennstoffelektrode in einem Spülablauf beschränkt.
  • In dem darauffolgenden Schritt S2-3 entscheidet die Steuereinheit 5, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die nach der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erzeugt wurde, erhöht ist, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung aufgrund eines Anwachsens im stöchiometrischen Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode infolge des Anwachsens bei der Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 wiedererlangt wird und die Zellenspannung die Referenzspannung überschreitet, entscheidet die Steuereinheit 5 in Schritt S3-4, dass das Spülen der Feuchtigkeit unnötig ist, und funktioniert in Schritt S2-5 so, dass die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückgesetzt wird. Da in diesem Fall es unnötig ist, das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode wieder zu erhöhen, wenn die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen Pegel zurückgeführt wird, modifiziert die Steuereinheit 5 einen Steuerzielwert in Schritt S2-6 solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Schritt S2-7 wird die normale Arbeitsweise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
  • Andererseits, in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in Schritt S2-3 ermittelt, dass die Zellenspannung, die nach der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht wird, um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger ist, als die Referenzspannung, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert in Schritt S2-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 erhöhte Druckverluste hat.
  • Wenn in dem obigen Schritt die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 belassen wird, wie sie ist, bewirkt dieses eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, und in Schritt S2-9 erhöht die Steuereinheit 5 weiter die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12, auf eine Größe, die gleich einem Wert ist, der den Druckverlusten entspricht, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 verursacht wird. Entsprechenderweise wird der Druck am Punkt P1 in dem voreilenden Zustand des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird. In diesem Fall verändert sich die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil hindurchtritt, nicht in einem breiten Bereich, und der Druck am Punkt P2 im Nachlaufzustand des Wasserstoffsteuerventils 11 wird abgesenkt.
  • In dem nächsten Schritt S2-10 erhöht die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 14. Daher wird das Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, über das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 der Brennkammer 4 zugeführt. Da in diesem Fall die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 zuzuführen ist, sich nicht verändern, besteht demzufolge keine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs, das durch das Brennstoffzellenpaket 1 hindurchtritt. Im Gegensatz, die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zuzuführen ist, erhöht sich, und in diesem Fall verringert sich der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 langsam, und die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 wird langsam erhöht, währenddessen der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 langsam vergrößert wird, solcher Art, dass es möglich ist, zu verhindern, dass der Brennkammer 4 eine große Menge an Wasserstoffgas plötzlich zugeführt wird, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg in der Brennkammer 4 in einer zuverlässigen Weise verhindert wird.
  • Wenn in dem nächsten Schritt S2-11 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn eine Niedrigdruckzone auf einem genügenden Pegel an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 bestätigt wird, gibt die Steuereinheit 5 das Wasserstoffsteuerventil 11 in Schritt S2-12 frei und vermindert die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf seinen ursprünglichen Pegel, der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Zusätzlich vermindert die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des zweiten Steuerventils 14. In dem darauffolgenden Schritt S2-13 wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, sofort erhöht, und Feuchtigkeit wird mit überschüssigem Wasserstoffgas entfernt. Auch ist es möglich, zu verhindern, dass ausströmendes Wasserstoffgas unerwünscht in den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 aus dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 umgekehrt wird.
  • Aus der vorangehenden Beschreibung ist es verständlich, dass, nachdem die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, sofort erhöht wird und die Feuchtigkeit gespült wird, der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite auf einen Pegel verbleibt, der geringfügig niedriger ist, als der ursprüngliche Pegel, der für einen Normalbetrieb erforderlich ist. Wenn in Schritt S2-14 ermittelt wurde, dass der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 im Wesentlichen gleich dem Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite desselben ist, und dass ein Spülen von Feuchtigkeit abgeschlossen ist, steuert die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in Schritt S2-15 solcher Art, dass die Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket 1 aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, erhöht wird. Entsprechenderweise werden in Schritt S2-16 der Druck an Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck an Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite sofort wiedererlangt, so dass ein Wert erreicht wird, der nahezu gleich einem vorgegebenen Druckpegel ist, der für einen Normalbetrieb ermittelt wurde. In diesem Fall wird Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 strömt, der Brennkammer 4 über den Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 zugeführt.
  • Wenn der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite wiedererlangt werden auf einen Wert, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck für einen Normalbetrieb ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in Schritt S2-17, ob die Zellenspannung, die nach dem Spülvorgang erzeugt wurde, die vorgegebene Referenzspannung überschreitet. In dem Fall, dass die Zellenspannung infolge der Spülbehandlung wiedererlangt wurde und den vorgegebenen Referenzwert überschreitet, wird der Spülablauf in Schritt S2-18 abgeschlossen, und die Arbeitsweise kehrt auf ihre normale Betriebsart zurück.
  • Wenn in Schritt S2-17 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1 nicht vollständig entfernt wurde, und der Betrieb kehrt zu Schritt S2-8 zurück, und dann wird eine Gruppe von Spülvorgängen wiederholt.
  • In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden technischen Lehre wird, wenn überschüssige Feuchtigkeit sich in dem Brennstoffzellenpaket 1 angesammelt hat, überschüssige Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült, und gleichzeitig tritt eine CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 hindurch. Da, mehr im Einzelnen Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 zurückgeführt wird, wird die CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, das durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 strömt, allmählich erhöht. Wenn in diesem Fall Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 in dem Spülablauf, wie oben erläutert, gespült wird, wird der Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 solcher Art vergrößert, dass bewirkt wird, dass das Wasserstoffgas, das eine hohe CO-Konzentration hat, durch das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 zu der Brennkammer 4 strömt. Wenn auch der Öffnungsgrad des zweiten Steuerventils 14 verringert wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, solcher Art erhöht, dass der Brennkammer 4 Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird und eine niedrige CO-Konzentration infolge eines Ansteigens der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases enthält, das von der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird, zugeführt wird. Wenn in entsprechender Weise der Spülvorgang beendet wird, und der Betrieb zu der Normalbetriebsart zurückkehrt, wird die CO-Konzentration von Wasserstoffgas, das in Umlauf gebracht wird, durch den Wasserstoffdurchgang Ph3 abgesenkt.
  • In der vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems der vorliegenden technischen Lehre ermittelt auch der CO-Sensor 15 die CO-Konzentration von Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffdurchgang Ph1 strömt, um ein CO-Ermittlungssignal zu erzeugen. Wenn das CO-Ermittlungssignal einen vorgegebenen Referenzwert überschreitet, wird der Spülablauf ausgeführt, auch in dem Fall, wo es nicht erforderlich ist, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, solcher Art, dass eine Priorität gegeben wird, die CO-Konzentration des Wasserstoffgases zu verringern. Da es in diesem Fall unnötig ist, die augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzel lenpaket 1 abzulassen ist, zu erhöhen, wird die sofortige Öffnung des Wasserstoffgassteuerventils 11 nicht notwendigerweise ausgeführt.
  • Eine fünfte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von 8 ist im Aufbau dem Brennstoffzellensystem von 1 identisch mit einer Ausnahme, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet sind, und zusätzlich ein Luftsteuerventil 16 und eine Luftansaugpumpe 17 in dem Luftausströmdurchgang Pa2 angeordnet sind und durch die Steuereinheit 5 gesteuert werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem von 8 sind das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe 17 zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 angeordnet und haben den gleichen Aufbau wie das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12, solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 und das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe 17 in einer gleichzeitigen Weise gesteuert werden, um auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, ohne zu bewirken, dass eine große Druckdifferenz zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftablassseite vorhanden ist.
  • Mehr im Einzelnen, wenn Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, falls ein großer Druckunterschied zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftablassseite existiert, kann ein Qualitätsverlust der Polymermembran, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 als das Elektrolyt verwendet wird hinsichtlich einer Arbeitsleitung auftreten. Bei dem Brennstoffzellensystem von 8 jedoch weist der Luftausströmdurchgang Pa2 das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe solcher Art auf, dass diese Teile die Luftablassseite bilden, die den gleichen Aufbau haben, wie die Wasserstoffablassseite, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 gebildet wird. In dem Spülablauf von 2 wird der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 gesteuert, und gleichzeitig wird auch der Öffnungsgrad des Luftsteuerventils 16 gesteuert, während die Ansaugleistung der Ansaugpumpe 12 gesteuert wird, und gleichzeitig wird ebenfalls die Ansaugleistung der Luftansaugpumpe 17 gesteuert. Mit solch einer gleichzeitigen Steuerung kann Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült werden, während die Drücke an der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite auf einen im Wesentlichen gleichen Pegel zu jeder Zeit gehalten werden. Somit kann verhindert werden, dass die Polymermembran einen ernsthaften Qualitätsverlust erleidet aufgrund der Druckdifferenz, die an der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite bewirkt wird, um dadurch ein geeignetes Feuchtigkeitsspülen zu erzielen.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem von 8 wird die Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig erzielt, und der Brennkammer 4 wird abgelassenes Wasserstoffgas und abgelassener Luft mit gleichgesteuerten Strömungsgeschwindigkeiten jeweils zugeführt, wodurch ein Überhitzen der Brennkammer 4 zuverlässig vermieden werden kann, und es kann verhindert werden, dass die Brennkammer 4 ernsthaft in ihrer Arbeitsleistung verschlechtert wird.
  • Eine sechste Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem von 9 hat einen Basisaufbau, der identisch zu dem von 8 ist, mit der Ausnahme, dass der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern, und ein Lufttank 18 ist zwischen dem Luftsteuerventil 16 und der Luftansaugpumpe 17 angeordnet, um momentan Luft, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zu speichern.
  • Da in dem Brennstoffzellensystem von 9 das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe 17 in dem Luftausströmdurchgang Pa2 angeordnet ist und der Lufttank zwischen dem Luftsteuerventil 16 und der Luftansaugpumpe 17 angeordnet ist, währenddessen das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 angeordnet sind und der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasser stoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, haben die Luftablassseite und die Wasserstoffablassseite den gleichen Aufbau, wie der, der in 8 gezeigt ist. Durch gleichzeitiges Ausführen der Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und der Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 18 in dem gleichen Spülablauf, wie der, der in der Ausführungsform von 5 ausgeführt wird, ist es möglich, auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, ohne zu bewirken, dass eine große Druckdifferenz zwischen der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite auftritt, was bewirken würde, dass eine Verschlechterung der Arbeitsleistung der Polymermembran auftritt.
  • Da auch bei dem Brennstoffzellensystem von 9 der Wasserstofftank zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 wie in der Ausführungsform von 4 angeordnet ist, wird ein großes Volumen einer Niedrigdruckzone an einem Punkt stromabwärts des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen, wenn der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 solcher Art verringert wird, dass, wenn das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, eine große Menge an Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen werden kann, und eine Feuchtigkeitsspülung kann in einer beträchtlich effizienten Art und Weise ausgeführt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem von 9 wird außerdem die Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und die Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig ausgeführt, solcher Art, dass der abgelassene Wasserstoff und die abgelassene Luft der Brennkammer 4 mit gleichgesteuerten Geschwindigkeiten hinzugeführt werden kann, solcher Art, dass zuverlässig verhindert werden kann, dass die Brennkammer 4 überhitzt wird und in der Arbeitsleistung verschlechtert wird.
  • Das Brennstoffzellensystem und das Verfahren, das dieses steuert nach der vorliegenden technischen Lehre schafft zahlreiche Vorteile, wie nachstehend zusammengefasst sind.
  • Die Betriebssteuerung kann stark vereinfacht werden. Anders als bei den Prozessen nach dem Stand der technik, welche den Betriebsdruck einer Brennstoffzelle erhöhen muss, um Feuchtigkeit aus einem Brennstoffzellenpaket zu spülen mit einem sich daraus ergebenden komplizierten Aufbau, der in einem Brennstoffzellensystem verursacht wird und einem erhöhten elektrischen Leistungsverbrauch, wird das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre normalerweise einen vereinfachten Betriebsprozess erfordern zum Spülen von Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket mit einem einfachen Aufbau. Das offensichtliche Ergebnis ist die Vermeidung von kostenaufwändigen und hochkomplizierten Prozesssteuerungen, welche notwendig sind, um das Brennstoffzellensystem auf einem erhöhten Druck bei den Prozessen nach dem Stand der Technik beizubehalten. Ein anderer Vorteil beruht in dem Fakt, dass Feuchtigkeit effektiv zu gewünschten Zeitpunkten gespült werden kann, ohne die Basisarbeitsweise der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu opfern.
  • Da zumindest ein Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abgelassen wird, in einer Brennkammer verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen, kann abgelassenes Wasserstoffgas wirksam verwendet werden und verschiedenen Teilen, die die Wärmeenergie benötigen, zugeführt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre beinhaltet ein Wasserstoffsteuerventil, das eine genügende Volumenmenge einer Niedrigdruckzone schafft, die auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes ausgebildet ist. Wenn entsprechenderweise eine Steuereinheit vollständig das Wasserstoffsteuerventil öffnet, kann eine genügend große Wasserstoffgasmenge aus dem Brennstoffzellenpaket solcher Art abgelassen werden, dass Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket in einer besonders zuverlässigen Weise gespült werden kann.
  • Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre beinhaltet einen Wasserstoffgasausströmrückführdurchgang, der zwischen einem Einlass und einem Auslass eines Brennstoffzellenpaketes angeordnet ist hinsichtlich der Rückführung zumindest eines Bereiches des abgelassenen Wasserstoffgases zum Einlass des Brennstoffzellenpaketes. Demzufolge hat das System der vorliegenden technischen Lehre eine höhere Leistungsabgabekapazität pro Volumeneinheit von eingeführtem Wasserstoffgas, da das abgelassene Wasserstoffgas zum Erzeugen von einer elektrischen Leistungsabgabe rückgeführt wird. Somit ist es möglich, eine hohe Geschwindigkeit der Umwandlung von Wasserstoffgas in elektrische Leistungsabgabe beizubehalten. Da ferner die Menge an Wasserstoffgas, die dem Brennstoffzellenpaket zugeführt wird, verringert wird, ist es möglich, einen Reformer zu verwenden, der eine kleine Größe hat und niedrige Kosten hat. Da zusätzlich ein Teil der Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird, auch mit dem abgelassenen Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffrückführdurchgang rückgeführt wird, es möglich, die Menge an Wasser, die zu verdampfen ist zu vermindern, und einen Befeuchter zu verwenden, der eine kleine Größe hat und welcher eine verringerte Größe an elektrischer Eingangsleistung erfordert. Auch kann aufgrund des rückgeführten abgelassenen Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenpaket Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket zugeführt wird, eine niedrige Konzentration von CO haben, solcher Art, dass die Lebensdauer des Brennstoffzellenpaketes wirksam erhöht werden kann.
  • Auch beinhaltet das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre einen Luftausströmdurchgang und einen Wasserstoffausströmdurchgang, die mit einem Brennstoffzellenpaket verbunden sind, und eine Luftansaugpumpe und eine Wasserstoffansaugpumpe, die in dem Luftausströmdurchgang und dem Wasserstoffgasausströmdurchgang jeweils angeordnet sind, und ein Luftsteuerventil und ein Wasserstoffsteuerventil, welche jeweils auf der stromaufwärtigen Seite der Luftansaugpumpe und der Wasserstoffansaugpumpe angeordnet sind. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket zu spülen ohne einen Druckausgleich zwischen dem Luftausströmdurchgang und dem Wasserstoffausströmdurchgang beizubehalten. Demzufolge ist es möglich, zu verhindern, dass ein Qualitätsverlust einer Polymerelektrolytmembran eines Brennstoffzellenpaketes hinsichtlich der Arbeitsleistung aufgrund der Druckdifferenz auftritt, die an einer Luftablassseite und einer Wasserstoffablassseite verursacht wird.

Claims (16)

  1. Brennstoffzellensystem mit: einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket (1); einer Wasserstoffzuführungseinheit (2) zum Zuführen von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket (1); einer Luftzuführungseinheit (3) zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenpaket (1); einer Wasserstoffgasansaugpumpe (12), die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) angeordnet ist zum Ansaugen von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket (1); einem ersten Wasserstoffgassteuerventil (11), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad aufweist; und eine Steuereinheit (5) zum Steuern der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems, wobei die Steuereinheit (5) zum Bestimmen eines übermäßigen Niveaus von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) und zum Erhöhen der Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) vorgesehen ist, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist, und vorgesehen ist, den Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) zunächst zu verringern und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) zu öffnen, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) zu spülen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist, die Steuereinheit (5) vorgesehen ist zum Erhöhen der Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) auf einen Pegel, der größer ist als der, der für eine normale Arbeitsweise erforderlich ist, und um den Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) zu verringern, um den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Brenn stoffzellenpaketes (1) zu verringern ohne die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Brennstoffzellenpaket (1) hindurchtritt in einem breiten Bereich zu verändern, und um darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) zu öffnen zum sofortigen Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) zu spülen.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Brennkammer (4), um zumindest einen Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, zu verbrennen, um Wärmeenergie zu erzeugen.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, mit einem zweiten Wasserstoffsteuerventil (14), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Brennkammer (4) parallel zu dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) in einem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph2) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei die Steuereinheit (5) vorgesehen ist zum Verringern des Öffnungsgrades des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) und zum Vergrößern des Öffnungsgrades des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14) und um darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) zu öffnen und den Öffnungsgrad des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14) zu verringern, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Wasserstofftank (13), der zwischen dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) und der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) angeordnet ist, um momentan das Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, zu speichern.
  6. Brennstoffzellensystem nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph3), um zumindest einen Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, wieder dem Brennstoffzellenpaket (1) zurückzuführen, wobei das erste Wasserstoffsteuerventil (11) und die Wasserstoffansaugpumpe (12) in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph3) angeordnet sind.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, mit einer Luftansaugpumpe (17), die mit der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) verbunden ist, um Luft aus dem Brennstoffzellenpaket (1) anzusaugen, und einem Luftsteuerventil (16), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Luftansaugpumpe (17) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei die Steuereinheit (5) zum Erhöhen einer Ansaugleistung der Luftansaugpumpe (17) auf einen Pegel vorgesehen ist, der größer ist, als der Pegel, der für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellenpaketes (1) erforderlich ist, während die Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) erhöht wird und der Öffnungsgrad des Luftsteuerventils (16) verringert wird, während der Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert wird, und darauffolgend das Luftsteuerventil (16) geöffnet wird, während das erste Wasserstoffsteuerventil (11) geöffnet wird, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, mit einem Lufttank (18), der zwischen dem Luftsteuerventil (16) und der Luftansaugpumpe (17) angeordnet ist, um momentan Luft zu speichern, die von dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird.
  9. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit einem Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenpaket (1), einer Wasserstoffzuführungseinheit (2) zum Zuführen von Wasserstoffgas zu dem Brennstoffzellenpaket (1), einer Luftzuführungseinheit (3) zum Zuführen von Luft zu dem Brennstoffzellenpaket (1), einer Wasserstoffgasansaugpumpe (12), die an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) angeordnet ist zum Ansaugen von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket (1), und einem ersten Wasserstoffgassteuerventil (11), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Bestimmen eines übermäßigen Niveaus von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) – Erhöhen der Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12), wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist, und zunächst Verringern des Öffnungsgrades des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) und darauffolgend Öffnen des ersten Wasserstoffsteuerventils (11), um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket (1) zu spülen.
  10. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9, wobei, wenn ein übermäßiges Niveaus von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist, die Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) auf einen Pegel erhöht wird, der größer ist als der, der für eine normale Arbeitsweise erforderlich ist, und der Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert wird, um den Druck auf der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) zu verringern ohne die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das durch das Brennstoffzellenpaket (1) hindurchtritt in einem breiten Bereich zu verändern, und darauffolgend das erste Wasserstoffsteuerventil (11) geöffnet wird, um sofort Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird zu erhöhen, um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket(1) zu spülen.
  11. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest einen Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, in einer Brennkammer (4) verbrannt wird, um Wärmeenergie zu erzeugen.
  12. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 11, mit einem zweiten Wasserstoffsteuerventil (14), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Brennkammer (4) parallel zu dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) in einem Wasserstoffrückführungsdurchgang (Ph2) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Verringern des Öffnungsgrades des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) und Vergrößern des Öffnungsgrades des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14) und darauffolgend Öffnen des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) und Verringern des Öffnungsgrades des zweiten Wasserstoffsteuerventils (14), wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist.
  13. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Wasserstoffgas, das momentan aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, in einem Wasserstofftank (13), der zwischen dem ersten Wasserstoffsteuerventil (11) und der Wasserstoffansaugpumpe (12) angeordnet ist, gespeichert wird.
  14. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei zumindest ein Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket (1) abgelassen wird, wieder dem Brennstoffzellenpaket (1) zurückgeführt wird.
  15. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 9, mit einer Luftansaugpumpe (17), die mit der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes (1) verbunden ist, um Luft aus dem Brennstoffzellenpaket (1) anzusaugen, und einem Luftsteuerventil (16), das zwischen dem Brennstoffzellenpaket (1) und der Luftansaugpumpe (17) angeordnet ist und einen steuerbaren Öffnungsgrad hat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erhöhen einer Ansaugleistung der Luftansaugpumpe (17) auf einen Pegel, der größer ist als der Pegel, der für einen Normalbetrieb des Brennstoffzellenpaketes (1) erforderlich ist, während die Ansaugleistung der Wasserstoffgasansaugpumpe (12) erhöht wird und der Öffnungsgrad des Luftsteuerventils (16) verringert wird, während der Öffnungsgrad des ersten Wasserstoffsteuerventils (11) verringert wird, und darauffolgend das Luftsteuerventil (16) geöffnet wird, während das erste Wasserstoffsteuerventil (11) geöffnet wird, wenn ein übermäßiges Niveau von Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket (1) bestimmt ist
  16. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 15, wobei Luft, die von dem Brennstoffzellenpaket (1) momentan abgelassen wird in einem Lufttank (18), der zwischen dem Luftsteuerventil (16) und der Luftansaugpumpe (17) angeordnet ist, gespeichert wird.
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