DE112005000392B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, gekennzeichnet durch: ein Bereitstellen eines Brennstoffzellenkörpers (1) mit einer mit einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas versorgten Anodenelektrode und einer mit einem Oxidationsgas versorgten Kathodenelektrode, ein Bereitstellen einer internen Last (26), ein Unterbrechen einer Zufuhr an Oxidationsgas zu der Kathodenelektrode nach Abtrennen einer externen Last (L) von dem Brennstoffzellenkörper (1), ein Verbinden der internen Last (26) mit dem Brennstoffzellenkörper (1), um das Abführen eines Laststroms von dem Brennstoffzellenkörper (1) zu ermöglichen, während der Anodenelektrode das Brennstoffgas zugeführt wird, ein Unterbrechen einer Zufuhr des Brennstoffgases zur Anodenelektrode, ausgenommen von nach der Unterbrechung der Zufuhr stromab einer Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3) noch vorhandenem Restwasserstoff, der der Anodenelektrode während einer Periode zugeführt wird, in welcher der Laststrom durch die interne Last (26) abgeführt wird, und ein Steuern des Laststromes derart, dass der Druck im Inneren der Anodenelektrode auf einem Sollwert gehalten wird, nachdem die Zufuhr des...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie einem Brennstoffzellensystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 13.
  • Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem ist ein System zum Erzeugen elektrischer Leistung und wird betrieben, um eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff, zu erhalten durch Reformieren von Brennstoff, wie Erdgas, und Sauerstoff aus der Luft zu erzielen zum direkten Generieren elektrischer Leistung, wobei das System in der Lage ist, im Brennstoff enthaltene chemische Energie effektiv zu nutzen, und wobei das System umweltfreundliche Charakteristika hat. Hierbei ist in vollem Umfang Forschungs- und Entwicklungsarbeit unternommen worden, um das Brennstoffzellensystem kommerziell und für den praktischen Gebrauch anwenden zu können.
  • Beim Abbrechen des Betriebs des Brennstoffzellensystems werden zunächst externe Lasten, wie ein Antriebsmotor von einem Brennstoffzellenkörper getrennt. Sobald dies stattfindet, und da dann kein Laststrom fließt, erscheint in einer Spannung über eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers keine Lastspannung mehr, was in einer Hochspannungskondition resultiert, welche einen Wert von 0,8 V pro Zelleneinheit überschreiten kann. Falls ein Platin(Pt)-Katalysator einer Brennstoffzelle einer solchen Hochspannungskondition ausgesetzt wird, tritt sehr rasch die Ionisierung des Platins auf, was bewirkt, dass in der Kathodenelektrode eine Auflösungsdegradation des Platins eintritt. Das ionisierte Platin wird sofort an Sauerstoff gebunden, um oxidiertes Platin (PtO) zu bilden, welches bei einer bemerkenswerten Verringerung der effektiven aktiven Fläche des Katalysators keinen Beitrag mehr zur Erzeugung der elektrischen Leistung leisten kann.
  • Um eine solche Degradation zu verhindern, muss die Spannung des Brennstoffzellenkörpers so schnell wie möglich verringert werden. Diesbezüglich bewirkt bei einem in der JP 06-333 586 A offenbarten Brennstoffzellensystem die Verbindung eines Dummy-Widerstands mit einer Brennstoffzelle während der Betriebsunterbrechung, dass ein Laststrom aus dem Brennstoffzellenkörper extrahiert wird, um einen Spannungsabfall zu induzieren. Wenn dies stattfindet, wird einer Anodenelektrode kontinuierlich Wasserstoff zugeführt, um eine Wasserstoffknappheit zu vermeiden, während die Zufuhr von Sauerstoff zu einer Kathodenelektrode unterbrochen wird, um zuzulassen, dass zwecks eines Spannungsabfalls Restsauerstoff verbraucht wird. Weiterhin ist aus der US 2003/0224228 A1 ein Brennstoffzellensystem bekannt, das ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzellenleistung beinhaltet. Hierzu weist das System einen Recycling-Kreislauf auf und kann zur Regeneration eine Hauptlast von der Brennstoffzelle trennen und eine Hilfslast anschließen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Während der Abschaltoperation des Brennstoffzellensystems treten folgende Umstände ein:
    • (1) Wenn die Wasserstoffknappheit eintritt, während der Laststrom aus dem Brennstoffzellenkörper extrahiert wird, reagieren Kohlenstoff, welcher einen Elektrodenkatalysator trägt, und Wasser miteinander. Dies resultiert in einer bemerkenswerten Verringerung einer effektiven aktiven Fläche des Katalysators der Kathodenelektrode mit einer resultierenden Verschlechterung des Betriebsverhaltens. Diese Verschlechterung resultiert in größeren Schäden als diejenigen, die durch eine Auflösung des Platins verursacht werden.
    • (2) Falls Versuche unternommen werden, in Erwartung einer Sicherheitskondition den Laststrom zu verringern, resultiert daraus eine verlängerte Abschaltzeit, während mit dem Bemühen, Laststrom bei einem zweckmäßig gesteigerten Wert zu halten, die Wahrscheinlichkeit auftritt, dass während dieser Zeit eine Wasserstoffknappheit eintritt, die in einer Katalysator-Degradation resultiert.
    • (3) Wenn das Brennstoffzellensystem in einem automobilen Fahrzeug eingesetzt wird, sollte die Abschaltzeit des Brennstoffzellensystems, vorzugsweise, so kurz wie möglich sein. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Spannung so schnell wie möglich abgesenkt wird, nur um die Abschaltzeit zu verkürzen.
    • (4) Bei normaler Praxis wird das Brennstoffsystem angehalten, indem es denjenigen Gasdrücken ermöglicht wird, die in der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers verblieben sind, bis auf den atmosphärischen Druck zu fallen. Während der Erzeugung elektrischer Leistung wird der Gasdruck der Kathodenelektrode durch Verbinden des Dummy-Widerstands mit dem Brennstoffzellenkörper gesenkt, während der Kathodenelektrode keine Luft mehr zugeführt wird, und zwar auf eine Weise, wie dies oben beschrieben wurde. Weiterhin ist Luft kein entflammbares Gas, und deshalb treten auch keine Gefahrenumstände auf, sogar dann, wenn die Spannung abfällt, um zuzulassen, dass der Dummy-Widerstand abgetrennt wird und die Luft nach dem Abschalten des Systems in die Atmosphäre abgelassen wird. Jedoch verbleibt während einer Periode, in welcher der Laststrom mit dem Dummy-Widerstand extrahiert wird, Wasserstoffgas kontinuierlich in der Anodenelektrode, und zwar als Folge des Betriebs, bei welchem dem Brennstoffzellenkörper Wasserstoff kontinuierlich zugeführt wird, um eine Wasserstoffknappheit zu vermeiden. Deshalb gibt es einen Bedarf für Wasserstoffgas, das im Inneren der Anodenelektrode verbleibt, abgelassen werden, um den Druck der Anodenelektrode bis auf den Atmosphärendruck abzusenken, nachdem die Spannung abfällt und der Dummy-Widerstand abgeschaltet ist. Da jedoch Wasserstoff ein brennbares Gas ist, kann er nicht auf einmal in die Atmosphäre abgelassen werden. Ferner steigt, falls Wasserstoff auf einmal abgelassen wird, der Druck der Anodenelektrode in einer Übergangsphase an, und deshalb kann der Wasserstoff nicht auf einmal abgelassen werden, auch im Hinblick auf das Aufrechterhalten einer oberen Grenzspanne des Differentialdrucks zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode. Es muss deshalb ein Versuch unternommen werden, den Wasserstoff mit einer kleinen Strömungsrate in einen Verdünnungsbehälter abzulassen, um zu ermöglichen, dass sich der Wasserstoff unter Verwendung eines Gebläses mit einem großen Luftvolumen vermischt, wonach der Wasserstoff erst in einer verdünnten Kondition abgelassen wird. Demzufolge erfordert dies lange Zeit mit einer resultierenden Erhöhung der Abschaltzeit, ehe der Druck der Anodenelektrode auf den Atmosphärendruck abfällt.
  • Die vorliegende Erfindung ist vervollständigt worden unter Berücksichtigung der obigen Umstände. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, das sich auszeichnet durch Bereitstellen eines Brennstoffzellenkörpers mit einer Anodenelektrode, der ein Wasserstoff enthaltendes Brennstoffgas zugeführt wird, und einer Kathodenelektrode, der ein Oxidationsgas zugeführt wird, durch Zuführen einer elektrischen Leistung zu einer externen Last, durch Bereitstellen einer internen Last, durch Unterbrechen einer Zufuhr des Oxidationsgases zu der Kathodenelektrode nach dem Abtrennen der externen Last von dem Brennstoffzellenkörper, durch Verbinden der internen Last mit dem Brennstoffzellenkörper, um zuzulassen, dass aus dem Brennstoffzellenkörper ein Laststrom extrahiert wird, während das Brennstoffgas der Anodenelektrode zugeführt wird, durch Unterbrechen der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode während einer Periode, in welcher der Laststrom durch die interne Last extrahiert wird, und durch Steuern eines Solllaststroms derart, dass nach dem Abbruch der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode ein Druck im Inneren der Anodenelektrode auf einem Solldruck gehalten wird.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Anspruch 13, die einen Brennstoffzellenkörper aufweist mit einer mit einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas versorgten Anodenelektrode und einer mit einem Oxidationsgas versorgten Kathodenelektrode, eine Vorrichtung zum Unterdrücken einer Degradation des Katalysators, die betreibbar ist, die Zufuhr des Oxidationsgases zu der Kathodenelektrode zu unterbrechen, nachdem die externe Last von dem Brennstoffzellenkörper getrennt worden ist, und um zu gestatten, dass ein Laststrom, der durch den Brennstoffzellenkörper erzeugt wird, durch eine interne Last extrahiert wird, während das Brennstoffgas der Anodenelektrode weiterhin zugeführt wird, eine Stoppvorrichtung zum Beenden der Wasserstoffzufuhr, die betreibbar ist zum Unterbrechen einer Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode, während einer Periode, in welcher der Laststrom durch die interne Last extrahiert wird, und einer Laststrom-Steuervorrichtung zum Steuern eines Solllaststroms derart, dass nach dem Abbruch der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode der Druck im Inneren der Anodenelektrode bei einem Solldruck gehalten wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm und illustriert ein Brennstoffzellensystem einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm und illustriert den Abbruch des Betriebs des Brennstoffzellensystems von 1.
  • 3 ist ein Flussdiagramm und illustriert eine detaillierte Operation von S50, wie in 2 gezeigt.
  • 4 ist ein Flussdiagramm und illustriert eine detaillierte Operation von S90, wie in 2 gezeigt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm und illustriert eine detaillierte Operation von S910, wie in 4 gezeigt.
  • 6 ist ein Blockdiagramm und illustriert eine Sequenz, um unter Verwendung eines in 1 gezeigten Mikrocomputers von einem Solldruck und einem gemessenen Wert eines Drucksensors an einem Einlass einer Anodenelektrode einen Solllaststrom zu erzielen.
  • 7 ist ein Blockdiagramm und illustriert ein Brennstoffzellensystem einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8 ist ein Flussdiagramm und illustriert eine Grundsequenz von Operationen des Brennstoffzellensystems von 7, während des Betriebsabbruches.
  • 9 ist ein Flussdiagramm und illustriert detaillierte Operationen von S50A wie in 8 gezeigt.
  • 10 ist ein Flussdiagramm und illustriert detaillierte Operationen von S510A, wie in 9 gezeigt.
  • 11 ist ein Flussdiagramm und illustriert detaillierte Operationen von S530, wie in 9 gezeigt.
  • 12A–12C sind Ansichten, die erste Effekte illustrieren, welche aus den ersten und zweiten Ausführungsformen resultieren.
  • 13A–13C sind Ansichten, die zweite Effekte illustrieren, welche aus den ersten und zweiten Ausführungsformen resultieren.
  • 14A–14C sind Ansichten, die dritte Effekte illustrieren, welche aus den ersten und zweiten Ausführungsformen resultieren.
  • 15 ist eine Ansicht zum Illustrieren vierter Effekte, die von den ersten und zweiten Ausführungsformen resultieren.
  • Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
  • Nachstehend wird detailliert Bezug genommen auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche in den beiliegenden Zeichnungen illustriert sind. In den Zeichnungen tragen dieselben oder ähnliche Komponenten dieselben oder ähnliche Bezugszeichen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Wie in 1 gezeigt, hat bei einem Brennstoffzellensystem einer ersten Ausführungsform ein Brennstoffzellenkörper 1 eine Anodenelektrode, die mit einem Brennstoffgas versorgt wird, wie mit Wasserstoff, und eine Kathodenelektrode, die mit einem Oxidationsgas versorgt wird, wie mit Luft, um durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff elektrische Leistung zu generieren, und auch Wärme, die aus der Erzeugung der elektrischen Leistung resultiert und über Kühlwasser abgestrahlt wird (ein Kühlmittel), das durch Kühlmittelströmungskanäle strömt. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode sind benachbart zueinander mittels einer Elektrolytmembrane 33 platziert. An der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode bzw. an deren Außenseiten sind über Separatoren 31 jeweils Reinwasserelektroden angeordnet. Ein Kühlmittelströmungskanal ist auch an der Reinwasserelektrode über einen Separator 32 angeordnet, und zwar auf einer Seite nahe der Kathodenelektrode. In dem Brennstoffzellenkörper finden Elektrodenreaktionen statt, um elektrische Leistung gemäß den folgenden Reaktionen (1) und (2) zu generieren.
    Anodenelektrode: H2 → 2H+ + 2e–...(1)
    Kathodenelektrode: 2H+2e– + (1/2)O2 → H2O...(2)
  • In einem Wasserstofftank 2 aufbewahrtes Wasserstoffgas wird der Anodenelektrode über ein Wasserstoffzufuhr-Basisventil (EIN/AUS-Ventil) 3 zugeführt, welches als eine Stoppvorrichtung der Wasserstoffzufuhr dient, ferner über ein Druckreduktionsventil 301 und ein Wasserstoffdruckregelventil (variables Ventil) 4. Das Druckreduktionsventil 301 reduziert den Wasserstoffdruck mechanisch auf einen gegebenen Druck. Das Wasserstoffdruckregelventil 4 regelt den Wasserstoffdruck im Inneren der Anodenelektrode auf einen gewünschten Wert. Der Wasserstoffdruck der Anodenelektrode wird gesteuert durch ein Wasserstoffdrucksteuermittel 23, das betrieben wird, um den durch einen Drucksensor 6a detektierten Wasserstoffdruck zu dem Wasserstoffdruckregelventil 4 rückzuführen, das konsequent angetrieben ist. Das Regeln des Wasserstoffdrucks auf ein fixiertes Niveau bewirkt, dass Wasserstoff automatisch kompensiert wird mit einer Rate gleich einer Rate, mit der Wasserstoff durch den Brennstoffzellenkörper 1 verbraucht wird. Zwischen einem Einlass und einem Auslass der Anodenelektrode ist ein Ejektor 5 angeschlossen, durch welchen Wasserstoff (Abgas-Wasserstoff), der aus dem Auslass ausgestoßen wird, ohne in der Anodenelektrode verbraucht zu werden, zu dem Einlass der Anodenelektrode zirkuliert wird. Ferner ist eine Wasserstoffzirkulationspumpe 8 dort angeschlossen, welche eine Region kompensiert, welche der Ejektor 5 nicht abzudecken vermag. Mit dem Auslass der Anodenelektrode sind ein Spülventil (EIN/AUS-Ventil) 7 und ein Verdünnungsgebläse 9 verbunden. Mit dem Spülventil 7 wird von der Anodenelektrode ausgestoßener Wasserstoff (Abgaswasserstoff) ausgespült.
  • Mit dem Verdünnungsgebläse 9 wird von dem Spülventil 7 ausgespülter Wasserstoff bis auf eine Wasserstoffkonzentration geringer als eine entzündliche Konzentration mit Luft verdünnt, und zwar zum Ablassen zu einer Außenseite des Fahrzeugs. Das Spülventil 7 spielt eine Rolle zum Ablassen von Stickstoff, der in einer Wasserstofflieferleitung gesammelt ist, um eine Wasserstoffzirkulationsfunktion zu verbessern, und spielt auch eine Rolle beim Ausblasen von gesammelten Wasser, das sich in den Gasströmungskanälen aufhält.
  • Druckluft, die von einem Kompressor 10 geliefert wird, wird der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 zugeführt. Mit einem Auslass der Kathodenelektrode ist ein Luftdruckregelventil (variables Ventil) 11 verbunden. Der Luftdruck der Kathodenelektrode wird durch ein Luftdrucksteuermittel 22 geregelt, durch welches ein durch einen Drucksensor 6b detektierter Luftdruck zu dem Luftdruckregelventil 11 zurückgeführt wird, das dementsprechend angetrieben wird. Mit dem Auslass der Kathodenelektrode sind auch ein Sensor 29 zum Messen einer Feuchtigkeitskonzentration der Kathodenabluft, und ein Sensor 30 verbunden, der eine Wasserstoffkonzentration der Kathodenabluft misst.
  • In einem Reinwassertank 13 aufbewahrtes Reinwasser wird durch eine Reinwasserpumpe 12 der Reinwasserelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 zugeführt. In einem Reinwasser-Strömungskanal sind Reinwassersammelventile 14a bis 14c und ein Reinwasserabsperrventil (EIN/AUS-Ventil) 14d angeordnet. Auch hat das Reinwasser-Sammelventil 14b eine Absperrfunktion. Wenn der Anodenelektrode Wasserstoff zugeführt wird, während beim Anlaufen und beim Abstellen des Systems kein Reinwasser zirkuliert wird, gestattet das Schließen sowohl des Reinwasser-Sammelventils 14b als auch des Reinwasser-Absperrventils 14d, es zu verhindern, dass Wasserstoff in eine Reinwasser-Lieferleitung leckt. Ein Reinwasser-Sammelmittel 25 ermöglicht es, dass die Reinwasser-Sammelventile 14a bis 14c so angetrieben werden, dass es Reinwasser möglich ist, unter Verwendung des Luftdrucks in dem Reinwassertank 13 gesammelt zu werden, und zwar Reinwasser, das in den Reinwasserelektroden des Brennstoffzellenkörpers 1 und den Reinwasserlieferleitungen verblieben war. Falls das System in einer Kondition angehalten wird, in welcher in den Reinwasserelektroden Reinwasser intakt verbleibt, treten Wahrscheinlichkeiten auf, bei denen das Reinwasser expandiert und Schäden an dem Brennstoffzellenkörper 1 hervorruft bei Temperaturen unterhalb eines Gefrierpunktes, so dass deswegen Reinwasser in dem Reinwassertank 13 gesammelt wird.
  • Der Luftdruck, der Wasserstoffdruck und der Reinwasserdruck werden bestimmt unter Berücksichtigung der Effizienz beim Erzeugen der elektrischen Leistung und dem Wassergleichgewicht, und werden geregelt zu jeweils gegebenen Differentialdrücken, um dem Auftreten von Distortionen in der Elektrolytmembrane 33 und den Separatoren 31, 32 vorzubeugen.
  • In Kühlwasser-Strömungskanälen des Brennstoffzellenkörpers 1 wird von der Kühlwasserpumpe 15 Kühlwasser eingeführt. In den Kühlwasser-Strömungskanälen befinden sich ein Dreiwegeventil 16 und ein Radiator 17; dabei ist das Dreiwegeventil 16 betreibbar, um eine Kühlwasserströmung zwischen dem Radiator oder einer Beipasspassage des Radiators umzuschalten, um geteilte Strömungen zu bewirken. Das Rotieren eines Radiatorgebläses 18 kühlt das durch den Radiator 17 strömende Kühlwasser. Die Temperatur des Kühlwassers wird durch ein Kühlwasser-Temperaturregelmittel 14 geregelt, welches eine Kühlwassertemperatur, wie durch einen Temperatursensor 19 detektiert, zu dem Dreiwegeventil 16 zurückführt, um dieses und das Radiatorgebläse 18 entsprechend anzutreiben.
  • Weiterhin setzt sich das Brennstoffzellensystem zusammen aus einem Leistungsmanager 20, der als eine Laststrom-Steuervorrichtung dient, und durch welchen elektrische, durch den Brennstoffzellenkörper 1 generierte Leistung extrahiert und externen Lasten L zugeführt wird, wie einem Elektromotor (nicht gezeigt), durch welchen das Fahrzeug angetrieben wird, einem Spannungssensor, der eine gegebene Spannung detektiert, bei welcher während eines Spannungsabfalls des Brennstoffzellenkörpers 1 die Wasserstoffzufuhr zu unterbrechen ist, und zwar auf eine Weise wie dies später erläutert wird, einem Sauerstoffverbrauchsmittel 34, das mit dem Leistungsmanager 20 verbunden ist, und einem Mikrocomputer 28, der eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und zugeordnete periphere Schnittstellen aufweist, und der als eine Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators dient, wie dies später erläutert wird. Das Sauerstoffverbrauchsmittel 34 umfasst eine interne Last (Dummy-Widerstand) 26, durch welchen ein von dem Brennstoffzellenkörper 1 generierter Laststrom extrahiert wird, und einen Schalter 27, über welchen der Brennstoffzellenkörper 1 und der Dummy-Widerstand 26 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Hierbei umfasst das Sauerstoffverbrauchsmittel 34 auch eine variable Widerstandsvorrichtung für den Dummy-Widerstand, die in der Lage ist, den Laststrom zu steuern, der zu extrahieren ist, mit einer zufälligen Rate unter Ansprechen auf Kommandos, die an den Leistungsmanager 20 geliefert werden. Die extrahierte elektrische Last wird in einer Batterie geladen. Der Leistungsmanager 20 inkorporiert intern eine DCDC. Der Dummy-Widerstand 26 wird verwendet, um eine Korrosion zu unterdrücken, die eine Verschlechterung eines Kathodenkatalysators bewirken könnte, induziert durch die Wasserstoffverteilung an der Anodenelektrode jeder Zelleneinheit des Brennstoffzellenkörpers 1. Spezifisch und unter Umständen, bei welchen an der Anodenelektrode der Zelleneinheit beim Beginn der Zufuhr des Wasserstoffs während des Anlaufens eines Brennstoffzellen-Kraftwerksystems eine Wasserstoffverteilung auftritt, wird der Schalter 27 so gesteuert, dass der Dummy-Widerstand 26 zugeschaltet oder abgetrennt wird, um eine Verschlechterung des Kathodenkatalysators durch Korrosion zu unterdrücken.
  • Nun wird Bezug nehmend auf 2 eine Grundsequenz von Operationen beim Abschalten des Betriebs des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems erläutert.
    • (I) In S10 werden externe Lasten L, wie ein Fahrzeugantriebsmotor, von dem Brennstoffzellenkörper 1 getrennt. Weiterhin wird zur selben Zeit der Kompressor 10 angehalten, um die Zufuhr von Luft zu der Kathodenelektrode zu unterbrechen, während das Luftregelventil 11 voll geöffnet wird. Auch wird die Anodenelektrode kontinuierlich mit Wasserstoff versorgt. Die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 8 wird kontinuierlich betrieben.
  • In S10, da die externen Lasten L von dem Brennstoffzellenkörper 1 getrennt sind, liegt in dem Brennstoffzellenkörper 1 keine Lastkondition vor, und stiege deshalb die Spannung im Brennstoffzellenkörper 1 auf eine lastfreie Spannung. Wenn ein Platin-Katalysator des Brennstoffzellenkörpers 1 einer derart hohen Spannung ausgesetzt wird, schreiten rasche Reaktionen fort, die bewirken, dass der Platin-Katalysator mit der resultierenden Verringerung des aktiven und effektiven Oberflächenbereichs des Platin-Katalysators ionisiert wird, was eine Schwächung hervorrufen wird. Die auflösende Schwächung des Platin-Katalysators schreitet rapide fort, falls normalerweise die Spannung einen Wert von 0,8 V pro Zelleneinheit überschreitet. Bei einer lastfreien Kondition nimmt der Brennstoffzellenkörper 1 einen derartigen Status ein, sobald die Spannung den Wert von 0,8 V überschreitet, oder nimmt er einen Spannungszustand nahe bei einem solchen Status ein.
    • (II) In S15 wird die Operation ausgeführt, um einen Sollwert (Drucksteuer-Sollwert) des Wasserstoffdrucks einzustellen, der gesteuert wird durch das Wasserstoffdruckregelventil 4. Da in S10 die Zufuhr von Luft unterbrochen ist, liegt der Luftdruck beim atmosphärischen Druck. Der hier verwendete Ausdruck ”Solldruck” bezieht sich auf einen oberen Grenzwert eines Differentialdrucks zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode. Der Solldruck ist ein Produkt bzw. eine Summe, in welchem bzw. in welcher der obere Grenzwert des Differentialdrucks zum atmosphärischen Druck addiert ist. Als Folge des Abbruchs der Zufuhr von Luft ist ein Anoden-Solldruck nicht in der Lage, einen hohen Druckwert einzunehmen. Demzufolge gibt es das hohe Risiko eines vorübergehenden Wasserstoffmangels, falls ein erhöhter Laststrom extrahiert wird. Um ein solches Risiko zu vermeiden, sind vorläufige experimentelle Versuche durchgeführt worden, um eine entsprechende elektrische Lastleistung zu erzielen, und wird diese auf einen Wert von 10 kW eingestellt.
    • (III) In S20 wird die Operation ausgeführt, den Sollwert (Solllastleistung) der elektrischen Lastleistung (W) einzustellen, die durch den Dummy-Widerstand 26 verbraucht werden soll, und, abhängig von dieser Solllastleistung, wird ein Sollwert (Solllaststrom) des Laststroms (A) berechnet, der durch den Dummy-Widerstand 26 aus dem Brennstoffzellenkörper 1 extrahiert werden soll, und zwar in der nachfolgenden Gleichung (3): Solllaststrom [A] = Solllastleistung [W] ÷ Brennstoffzellenspannung [V] (3), wobei die Brennstoffzellenspannung einen Wert des Spannungssensors 21 repräsentiert.
  • Gleichzeitig wird der Schalter 27 des Dummy-Widerstandes 26 geschlossen, um den Brennstoffzellenkörper 1 und den Dummy-Widerstand 26 miteinander zu verbinden. Dies ermöglicht es dem Dummy-Widerstand 26, den Laststrom aus dem Brennstoffzellenkörper 1 zu extrahieren. Hierbei wird der Solllaststrom an den Leistungsmanager 20 geliefert und der Leistungsmanager 20 wird betrieben, um einen Potentialunterschied zu schaffen, um es zu ermöglichen, dass der Dummy-Widerstand 26 die Solllastleistung extrahiert.
  • Um die durch Platinauflösung verursachte Schwächung zu unterdrücken, gibt es Bedarf, die Spannung so schnell wie möglich zu verringern und entsteht diesbezüglich der Bedarf, einen Laststrom zu extrahieren, der so stark ist wie möglich. In S20, da der Dummy-Widerstand 26 mit dem Brennstoffzellenkörper 1 verbunden ist, um es zu ermöglichen, dass der Laststrom durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, tritt in dem Brennstoffzellenkörper 1 ein Spannungsabfall ein. Dies gestattet es, die Auflösungsschwächung des Platin-Katalysators zu unterdrücken. In diesem Moment wird der Anodenelektrode Wasserstoff kontinuierlich zugeführt, während der Kathodenelektrode keine Luft zugeführt wird und an der Kathodenelektrode Sauerstoff verbraucht wird mit dem resultierenden raschen Spannungsabfall. Ferner tritt auch ein anderer Vorteil in dieser Aktion ein, bei welchem es die kontinuierliche Zufuhr von Wasserstoff zur Anodenelektrode dem Wasserstoff ermöglicht, zu der Kathodenelektrode hinüber zu wechseln, um in dem oxidierten Katalysator (PtO) eine Reduktion zu bewirken. Da Wasserstoff der Anodenelektrode kontinuierlich zugeführt wird, besteht jedoch keine Gefahr eines Wasserstoffmangels.
    • (IV) In S30 wird eine Diskriminierung ausgeführt, ob die Spannung des Brennstoffzellenkörpers 1 niedriger wird als ein erster gegebener Wert. Wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”erster gegebener Wert” auf eine Spannung, welche ein Kriterium bildet, basierend auf dem eine Diskriminierung gemacht wird, ob die Zufuhr von Wasserstoff zu beenden ist. Falls die Spannung niedriger ist als der erste gegebenen Wert (mit JA in S30), dann geht die Operation weiter zu S32, und falls die Spannung den ersten gegebenen Wert überschreitet (mit NEIN in S30), dann schreitet die Operation fort zu S35. In S35 wird der Solllaststrom an den Leistungsmanager PM 20 geliefert, ehe danach die Operation auf ”KEHRE ZURÜCK” springt.
    • (V) In S32 wird die Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe 8 erhöht. Auch wird das Spülventil 7 für einen gegebenen Zeitintervall geöffnet, und danach geschlossen. Das Erhöhen der Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe 8 bewirkt eine Zunahme der Menge des Wasserstoffs, der durch die Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 hindurchgeht, derart, dass ein Wasserstoffmangel vermieden wird. Obwohl die Zufuhr an Wasserstoff abgebrochen ist und der Laststrom dazu gebracht wird, durch den Dummy-Widerstand 26 zu fließen, während Wasserstoff verbraucht wird. Das Öffnen des Spülventils 7 gestattet es auch, dass gasförmige Unreinheiten verschieden von Wasserstoff, die an der Anodenelektrode verblieben sind, ausgespült werden, um es zu ermöglichen, dass frischer Wasserstoff in das Innere der Anodenelektrode eintritt. Dies lässt es zu, das Auftreten eines Wasserstoffmangels während einer Periode zu verhindern, in welcher die Wasserstoffzufuhr abgebrochen ist und der Laststrom dazu gebracht wird, während des Verbrauches von Wasserstoff durch den Dummy-Widerstand 26 zu fließen.
    • (VI) In S40 ist das Wasserstoffzufuhrbasisventil 3 geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 2 abzubrechen. D. h., die Zufuhr an Wasserstoff wird gestoppt im Verlauf des Fortsetzens des Verbrauchs des Laststroms durch den Dummy-Widerstand 26 in einer Kondition, in welcher die Spannung noch nicht adäquat abfällt.
  • Selbst wenn das Wasserstoffzufuhr-Basisventil 3 geschlossen ist, verbleibt komprimiertes Wasserstoffgas stromab des Wasserstoffzufuhr-Basisventils 3 und verschwindet kein Wasserstoff unmittelbar. Es ist deshalb möglich, dass der Dummy-Widerstand 26 fortwährend den Laststrom konsumiert.
  • In normaler Praxis, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems abgebrochen wird, wird komprimierter Wasserstoff von stromab des Wasserstoffzufuhr-Basisventils 3 ausgestoßen, um es zu ermöglichen, dass ein Restdruck der Anodenelektrode bis auf den atmosphärischen Druck abfällt, wonach das System angehalten wird. Falls die Wasserstoffzufuhr abgebrochen ist, wenn die Spannung auf ein ausreichendes Niveau abfällt, ohne die Notwendigkeit für den Dummy-Widerstand 26, den Laststrom zu konsumieren, dann muss ab diesem Moment komprimierter Wasserstoff von stromab des Wasserstoffzufuhr-Basisventils ausgestoßen werden, um es zu ermöglichen, dass der Restdruck der Anodenelektrode bis auf den atmosphärischen Druck abfällt. Wenn dies stattfindet, und Wasserstoff auf einmal möglicherweise in die Atmosphäre ausgestoßen wird, wäre Wasserstoffgas ein brennbares Gas und dürfte dieses nicht auf einmal in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Deshalb wird Wasserstoff zu einem Verdünnungsbehälter ausgeschoben, in welchem der Wasserstoff mit einem großen Volumen von Luft durch die Aktion des Verdünnungsgebläses 9 vermischt wird, wonach eine unkritische Mischung aus Wasserstoff und Luft in die Atmosphäre abgegeben wird. Konsequent dauert es lange, bis der Restdruck der Anodenelektrode bis auf den atmosphärischen Druck abfällt, mit einer resultierenden Zunahme der Abschaltzeit.
  • Weiterhin wird, als Folge des Vorhandenseins von komprimiertem Wasserstoff, der stromab des Wasserstoffzuführbasisventils 3 verblieben ist, und falls ein Versuch gemacht wird, den Restdruck auf einmal bis auf den atmosphärischen Druck abzusenken, dann ein großes Volumen an Wasserstoff über die Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 hinweggeleitet, um in die Atmosphäre ausgestoßen zu werden. Falls dies stattfindet, steigt der Druck der Anodenelektrode mit der resultierenden Wahrscheinlichkeit, gemäß welcher der Restdruck einen oberen Grenzwert des Differentialdrucks überschreitet, und zwar zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode. Aus diesem Grund gibt es hier einen Bedarf für den Restdruck der Anodenelektrode, auf den atmosphärischen Druck abzufallen, während es möglich sein muss, einen Differentialdruck zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode auf einem Wert zu halten, der niedriger ist als der obere Grenzwert. Demzufolge dauert dies lange Zeit mit einer resultierenden Zunahme der Abbruchzeit.
  • Falls die Wasserstoffzufuhr im Verlauf des Verbrauches des Laststroms durch den Dummy-Widerstand 26 abgebrochen wird, wie in S40, um das Erzeugen elektrischer Leistung zu bewirken, verbraucht der durch den Dummy-Widerstand 26 fließende Laststrom Restwasserstoff. Dies verkürzt die Zeit, während welcher der Restdruck der Anodenelektrode bis auf den atmosphärischen Druck abfällt. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Abbruchzeit.
    • (VII) In S50 wird für den Druck an dem Einlass der Anodenelektrode der Solldruck eingestellt, der durch den Laststrom gemäß der vorliegenden Erfindung zu steuern ist. Hier ist, wie in 3 gezeigt, ein ”unterer Grenzwert” des Solldrucks” ein Produkt aus dem Druck der Anodenelektrode, zu welchem Druck der obere Grenzwert des Differentialdrucks zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode hinzuaddiert ist. Da die Wasserstoffzufuhr bereits abgebrochen worden ist, liegt auch der Druck der Kathodenelektrode beim atmosphärischen Druck.
    • (VIII) In S60 wird der Druck am Einlass der Anodenelektrode gerade gesteuert durch die Verwendung des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 gezeigt, wird während dieser Operation der ”Solllaststrom” bestimmt aus dem Solldruck und einem gemessenen Wert des Drucksensors 6a, der an dem Einlass der Anodenelektrode platziert ist, unter Verwendung des Mikrocomputers 28 als einen PI-Regler.
    • (IX) In S70 wird die Operation ausgeführt, mit dem Regeln des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode durch das Wasserstoffdruckregelventil 4 aufzuhören. Spezifischer, da in S40 das Wasserstoffzuführ-Basisventil 3 geschlossen ist, um die Zufuhr an Wasserstoff abzubrechen, wird die Drucksteuerung des Wasserstoffdruckregelventils 4 abgestoppt und wird umgeschaltet auf das Steuern des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode mit dem Laststrom gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Dann wird in S80 das Wasserstoffdruckregelventil 4 progressiv voll nach einem gegebenen Ansprechverhalten geöffnet. Sogar falls das Wasserstoffdruckregelventil 4 auf einmal voll geöffnet wird, tritt keine Wahrscheinlichkeit auf, dass als Folge des Beginns der Drucksteuerung des an dem Einlass der Anodenelektrode mittels des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung der Anodenelektrodendruck den oberen Grenzwert des Differentialdrucks überschreiten könnte, sondern das Wasserstoffdruckregelventil 4 ist unter Berücksichtigung einer Verzögerung bei der Regelung voll geöffnet mit einer gegebenen Zeitkonstanten.
    • (X) In S85 wird nach Annullieren des in S20 berechneten Solllaststroms, derjenige Solllaststrom übernommen und an den Leistungsmanager (PM) 20 geliefert, der nach der Steuerung des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode mittels des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet worden ist.
  • Zum Zwecke der Verkürzung der Abbruchzeit wird die Wasserstoffzufuhr unter einer Kondition abgebrochen, bei der der Dummy-Widerstand 26 in S40 verwendet wird, den Laststrom zu konsumieren, während die Spannung an dem hohen Niveau verbleibt, derart, dass Restwasserstoff dadurch verbraucht wird, dass der Laststrom durch den Dummy-Widerstand 26 fließt. Jedoch kann in Abwesenheit eines zweckmäßigen Laststroms ein Wasserstoffmangel auftreten. Falls der Wasserstoffmangel aufträte, würden die Protonen weniger, und fände zum Kompensieren des Protonenmangels zwischen dem Kathodenkatalysator und dem Kohlenstoffmaterial und Wasser (H2O) eine Reaktion an der Kathodenelektrode statt, die den Katalysator unterstützt, Dies resultierte in einer Verringerung des effektiven Oberflächenbereiches des Kathodenkatalysators und bewirkte eine Korrosions-Verschlechterungsreaktion mit der resultierenden namhaften Zunahme an Beschädigungen für die Brennstoffzelle.
  • Da das Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform in der Wasserstoffzufuhrleitung mit dem Wasserstoffzuführ-Basisventil 3 und dem Wasserstoffdruckregelventil 4 ausgestattet ist, ist weiterhin komprimierter Wasserstoff stromab vorhanden, nachdem das Wasserstoffzuführ-Basisventil geschlossen ist. Der zwischen dem Wasserstoffzuführ-Basisventil 3 und dem Wasserstoffdruckregelventil 4 herrschende Druck liegt bei einem höheren Niveau als der an dem Wasserstoffdruckregelventil 4 und an dem Einlass der Anodenelektrode. Deshalb strömt dann fortwährend Wasserstoff in die Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 nach. Falls die Strömung des Wasserstoffs intakt belassen wird, nimmt der Anodenelektrodendruck fortwährend zu. Falls in diesem Moment zwecks Wasserstoffverbrauches der Laststrom extrahiert wird, kann der Druckanstieg unterdrückt werden. Hierbei bedeutet das Behandeln der Menge an Wasserstoff, die durch den Laststrom konsumiert wird, um den ”Solldruck” zu erzielen, eine Aktion, bei der in die Anodenelektrode strömender Wasserstoff und mit dem Laststrom konsumierter Wasserstoff so gehalten werden, dass sie einander entsprechen. Als Folge einer solchen Aktion kann Wasserstoff durch den Laststrom mit derselben Rate konsumiert werden, wie die Rate des in die Anodenelektrode eintretenden Wasserstoffs ist, und kann demzufolge der Anodenelektrodendruck bei dem ”Solldruck” gehalten werden. Es wird so auch möglich, Risiken von Wasserstoffmangeln im Verlauf zu vermeiden, wenn der Laststrom zum Verbrauch von Wasserstoff durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, während die Wasserstoffzufuhr abgebrochen ist.
    • (XI) In S90 wird die Feststellung getroffen, ob es nun zweckmäßig ist, das Brennstoffzellensystem außer Betrieb zu nehmen. Ein Detail dieser Operation wird nachstehend unter Bezug auf 4 erläutert. Falls es zweckmäßig ist, das Brennstoffzellensystem außer Betrieb zu nehmen (mit JA in S90), darin geht die Operation weiter zu S100, um dadurch Abbruchoperationen für das Brennstoffzellensystem auszuführen. Im besonderen wird der Schalter 27 für den Dummy-Widerstand 26 geöffnet, und wird der Betrieb der Wasserstoffzirkulationspumpe 8 abgebrochen, während auch die Steuerung des Drucks im Einlass der Anodenelektrode mittels des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung abgebrochen wird, wonach das Spülventil 7 geöffnet wird. Falls es nicht zweckmäßig ist, das Brennstoffzellensystem anzuhalten und seinen Betrieb zu beenden (mit NEIN in S90), dann wird die Operation intakt übergeführt zu dem Schritt von ”KEHRE ZURÜCK”.
  • Als nächstes werden detaillierte Operationen in S90 unter Bezug auf 4 beschrieben.
    • (A) In S910 wird eine Feststellung getroffen, ob noch ausreichend Restwasserstoff zum Aufrechterhalten des Solldrucks vorhanden ist. Detaillierte Operationen von S910 werden nachstehend unter Bezug auf 5 beschrieben. Falls kein zum Aufrechterhalten des Solldrucks ausreichender Restwasserstoff verfügbar ist (mit JA in S910), dann schreitet die Operation weiter zu S920. Falls nach wie vor genügend Restwasserstoff zum Aufrechterhalten des Solldrucks verfügbar ist (mit NEIN in S910), dann wird die Operation intakt übergeführt zu dem Schritt von ”KEHRE ZURÜCK”.
    • (B) In S920 wird eine Feststellung getroffen, ob der Druck in der Anodenelektrode an dem unteren Grenzwert des Solldrucks liegt. Da der untere Grenzwert des Soldrucks in S50 bestimmt worden ist basierend auf einer Formel, ausgedrückt als ”unterer Grenzwert des Solldrucks = Druck in Kathodenelektrode + (den Differentialdruck beschränkender oberer Grenzwert)”, verbleibt in der Anodenelektrode der Brennstoffzelle ein Druck mit einem Wert, der mit dieser Druckdifferenz korrespondiert. In diesem Moment gibt es eine Kondition, bei welcher Restwasserstoffes nicht mehr in ausreichender Menge vorhanden ist, um den Wert des aufrecht zu haltenden unteren Grenzwerts des Solldrucks zu halten und ist nur noch eine kleine Menge Wasserstoff verblieben mit einem Ausmaß korrespondierend mit einem Limit, durch welches der untere Grenzwert des Solldrucks aufrechtgehalten wird. Deshalb gibt es auch dann, wenn dieser Restwasserstoff auf einmal abgelassen würde, keine Wahrscheinlichkeiten, dass so viel Wasserstoff als eine große Menge fließen könnte, welche eine den Differentialdruck beschränkende Spanne zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode überschreitet. Demzufolge wird dann eine Feststellung getroffen in S930, dass es möglich ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems abzubrechen, wenn der Druck der Anodenelektrode an dem unteren Grenzwert des Solldrucks liegt (mit JA in S920).
  • Mit der ersten Ausführungsform wird in Erwägung gezogen, dass keine Feststellung getroffen wird, dass es möglich ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems abzubrechen und zu beenden, selbst bei Vorliegen eines Spannungsabfalls bis auf ein Niveau, das zum Abschalten des Dummy-Widerstands 26 ausreicht, und zwar bei einer Kondition, bei welcher nach wie vor Restwasserstoff vorliegt. Es wird dann ein Versuch unternommen, abzuwarten, bis Restwasserstoff, der ausreicht, um den unteren Grenzwert für den Solldruck aufrechtzuhalten, verschwindet. Wenn dies stattfindet, wird durch den Dummy-Widerstand 26 kein Laststrom konsumiert. Wenn in einem solchen Fall hingegen der Laststrom auch bei Vorliegen des Spannungsabfalls verwendet würde und in der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, dann kreuzt Wasserstoff von der Anodenelektrode hinüber zu der Kathodenelektrode, was bewirkte, dass an der Kathodenelektrode eine Reaktion stattfindet, wie ausgedrückt durch 2H+ + 2e → H2 (Reaktion, die entgegengesetzt ist zu der an der Anodenelektrode). Dies tritt deshalb auf, obwohl keine Schäden an dem Brennstoffzellenkörper 1 auftreten, da die Zufuhr an Wasserstoff zu dieser Zeit schon abgebrochen ist, und an der Anodenelektrode kein Wasserstoff in vergeudender Weise vorhanden ist, was das Auftreten eines Wasserstoffmangels bewirkt.
  • Der Grund, warum abgewartet wird, bis Restwasserstoff, der ausreicht, den unteren Grenzwert des Solldrucks aufrechtzuhalten, verschwindet, liegt darin, dass die Druckdifferenz nicht den oberen Grenzwert des Differentialdrucks zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode überschreitet, selbst wenn Restwasserstoff zum Anhalten und Beenden der Operation des Brennstoffzellensystems auf einmal abgelassen wird.
  • Als nächstes werden detaillierte Operationen von S910 unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
    • (a) In S9050 wird eine Feststellung getroffen, ob das Wasserstoffdruckregelventil 4 voll geöffnet ist. Falls das Wasserstoffdruckregelventil 4 voll geöffnet ist (mit JA in S9050), dann schreitet die Operation weiter zu S9100, und falls das Wasserstoffdruckregelventil 4 nicht voll geöffnet ist (mit NEIN in S9050), dann wird die Operation intakt übergeführt zum Schritt ”KEHRE ZURÜCK”. Dies erfolgt deshalb, da dann das Wasserstoffdruckregelventil 4 nicht voll geöffnet ist und komprimierter Wasserstoff nach wie vor stromauf des Wasserstoffdruckregelventils 4 verbleibt.
    • (b) In S9100 wird der gemessene Wert des aus dem Brennstoffzellenkörper 1 extrahierten Laststroms ausgelesen.
    • (c) In S9200 wird eine Feststellung getroffen, ob der augelesene Laststrom Null ist. Falls der Laststrom Null ist (mit JA in S9200), dann schreitet die Operation S9300, und falls der Laststrom nicht Null ist (mit NEIN in S9200), dann wird die Operation intakt übergeführt zum Schrift ”KEHRE ZURÜCK”.
    • (d) In S9300, und falls der Laststrom Null ist, wird eine Feststellung getroffen, dass kein Restwasserstoff existiert, mit dem sich der Solldruck aufrechthalten ließe.
  • Falls der Laststrom extrahiert wird, um mit einer daraus resultierenden Verminderung des Restwasserstoffs Wasserstoff zu verbrauchen, dann findet in der Menge des an der Anodenelektrode eintreffenden Wasserstoffes ein Abfall statt. Um den Wasserstoffdruck an dem Solldruck zu halten, nimmt mit einer Zunahme der Menge des eintreffenden Wasserstoffs auch die Menge an Wasserstoff ab, die dann durch den Laststrom verbraucht wird. Wenn in einer solchen ausgeglichenen Kondition der Druck zwischen dem Wasserstoffzuführbasisventil 3 und dem Wasserstoffdruckregelventil 4 mit dem Druck am Einlass der Anodenelektrode ausgeglichen ist, gibt es keinen Wasserstoff mehr, der zu der Anodenelektrode vordringt. Auf diese Weise nimmt der Laststrom progressiv ab und erreicht schließlich Null. Mit der ersten Ausführungsform und nach Detektion eines solchen Moments wird eine Feststellung getroffen, dass Restwasserstoff fehlt, der ausreichen würde, den Solldruck aufrechtzuhalten. Auch da der untere Grenzwert des Solldrucks in S50 basierend auf der Formel ausgedrückt als ”Unterer Grenzwert des Solldrucks = Druck in Kathodenelektrode + (den Differentialdruck beschränkender oberer Grenzwert)” berechnet ist, wird der Laststrom in diesem Moment Null, an welchem der Druck den unteren Grenzwert des Solldrucks erreicht, was in einem Status resultiert, in welchem Restdruck mit nur dem unteren Grenzwert des Wasserstoffsolldrucks verbleibt.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Wie in 7 gezeigt, ist ein Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein System, bei welchem das in dem Brennstoffzellensystem von 1 vorgesehene Wasserstoffdruckregelventil 4 in der Wasserstoffzuführleitung weggelassen ist, um eine Verkürzung der Abbruch- oder Abschaltzeit mit nur dem Wasserstoffzuführbasisventil 3 zu ermöglichen. Konsequent gibt es auch kein Wasserstoffdrucksteuermittel 23, welches das Wasserstoffdruckregelventil 4 antreiben würde, um den Wasserstoffdruck zu regeln. Die anderen Komponententeile entsprechen denen des Brennstoffzellensystems von 1, so dass hierfür eine Beschreibung weggelassen wird.
  • Da kein Wasserstoffdruckregelventil 4 vorhanden ist, werden die Operationen zum Abbrechen des Betriebs des in 7 gezeigten Brennstoffzellensystems wie in 8 gezeigt ausgeführt, wobei die Schritte S15, S70 und S80 aus der Sequenz des in 2 gezeigten Flussdiagramms weggelassen sind. Ferner ist S50 von 2 ersetzt durch S50A, und ist S90 von 2 ersetzt mit S90A. S100 2 ist zum Teil modifiziert. Die Sequenz anderer Operationen (in S10, S20, S30, S32, S35, S40, S60 und S85) ist gleich mit der des Flussdiagramms von 2. Bezug nehmend auf die 8 bis 11 werden die Operationen zum Abbrechen des Betriebs des Brennstoffzellensystems von 7 beschrieben.
    • (I) Wie oben anhand von 2 beschrieben, werden die Operationen in S10, S20, S30, S32, S35 und S40 ausgeführt. D. h., in S10 werden die externen Lasten L von dem Brennstoffzellenkörper 1 getrennt, und gleichzeitig ward der Kompressor 10 angehalten, um die Zufuhr von Luft zu der Kathodenelektrode zu unterbrechen, während das Luftdruckregelventil 11 voll geöffnet wird. Die Zufuhr von Wasserstoff zu der Anodenelektrode wird fortgesetzt. Die Wasserstoffzirkulationspumpe 8 wird kontinuierlich betrieben.
    • (II) In S20 wird ein Sollwert (Solllaststrom) eines Laststroms eingestellt, der durch den Dummy-Widerstand 26 zu konsumieren ist, und, abhängig von diesem Wert, wird der Sollwert (Solllaststrom) des Laststroms [A] berechnet, der von dem Brennstoffzellenkörper 1 zu extrahieren ist. Zur selben Zeit wird der Schalter 27 für den Dummy-Widerstand geschlossen, um den Dummy-Widerstand 26 mit dem Brennstoffzellenkörper 1 zu verbinden. In S30 wird eine Feststellung getroffen, ob eine Spannung des Brennstoffzellenkörpers 1 geringer wird als ein gegebener Wert. Falls die Spannung niedriger ist als der gegebene Wert (mit JA in S30), schreitet die Operation zu S32, und falls die Spannung den gegebenen Wert überschreitet (mit NEIN in S30), dann schreitet die Operation zu S35. In S35 wird der Solllaststrom an den Leistungsmanager (PM) 20 geliefert und wird danach die Operation intakt übergeführt zu dem Schritt ”KEHRE ZURÜCK”.
    • (III) In S32 wird eine Operation durchgeführt zum Erhöhen der Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe 8. Auch wird das Spülventil 8 für ein gegebenes Zeitintervall geöffnet und, danach, geschlossen. In S40 wird das Wasserstoffzuführ-Basisventil 3 geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 2 zu der Anodenelektrode abzubrechen.
    • (IV) in S50A wird ein Solldruck für den Druck an dem Einlass der Anodenelektrode eingestellt, der gemäß der vorliegenden Erfindung mittels des Laststroms gesteuert werden soll.
  • Details von S50A werden nachstehend unter Bezug auf 9 beschrieben.
    • (V) In S60 beginnt die Operation, den Druck an dem Einlass der Anodenelektrode unter Verwenden des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung zu regeln. Beim Ausführen dieser Operation, wie in 6 gezeigt, und unter Verwendung des Mikrocomputers 28 als einen PI-Regler, lässt sich ein ”Solllaststrom” erzielen basierend auf einem Solldruck und einem gemessenen Wert, der von dem Drucksensor 6a stammt, der dem Einlass der Anodenelektrode zugeordnet ist.
    • (VI) In S85 wird der in S20 berechnete Solllaststrom annulliert und wird der Solllaststrom übernommen, der beim Regeln des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode mittels des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet wurde, und wird dieser neue Solllaststrom an den Leistungsmanager (PM) 20 geliefert.
    • (VII) In S90A wird eine Feststellung getroffen, ob es möglich ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems abzubrechen und zu beenden. Details dieser Operation werden unten stehend unter Bezug auf 11 beschrieben. Falls es möglich ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems abzubrechen und zu beenden (mit JA in S90A), dann schreitet die Operation zu S100, wobei dadurch zum Beenden und Abbrechen des Betriebs des Brennstoffzellensystems Operationen ausgeführt werden. Im besonderen wird der Schalter 27 für den Dummy-Widerstand geöffnet und wird der Betrieb der Wasserstoffzirkulationspumpe 8 abgebrochen, während auch die Regelung des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode unter Verwendung des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung unterbrochen wird, wonach das Spülventil 8 geschlossen wird. Falls es unmöglich ist, den Betrieb des Brennstoffzellensystems abzubrechen und zu beenden (mit NEIN in S90A), dann wird die Operation intakt übergeführt zum Schritt ”KEHRE ZURÜCK”.
  • Als nächstes werden detaillierte Operationen von S50A unter Bezug auf 9 beschrieben.
    • (A) In S510A wird der Solldruck für den Druck an dem Einlass der Anodenelektrode eingestellt, der mittels des abgenommenen Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung gesteuert werden soll. Mit der zweiten Ausführungsform wird nun ein unterer Grenzwert des Solldrucks basierend auf einer Verdünnungsleistungsfähigkeit des Verdünnungsgebläses 9 berechnet.
    • (B) In S520A wird mittels einer gegebenen Ansprechzeitkonstanten ein Solldruckabfall-Ansprechmuster eingestellt. Mit der zweiten Ausführungsform wird der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode anhand des Solldruckabfalls-Ansprechmusters so geregelt, dass der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode mit der gegebenen Ansprechzeitkonstanten abfällt. Deshalb wird die Rate einer Änderung des Solldrucks pro Zeiteinheit um so geringer, desto niedriger der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode ist. Dies resultiert in einer Aktion, bei der der Druck, der in einem nachfolgenden Schritt beim Steuern des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode mittels des Laststroms herrscht, abgesenkt wird, um eine Zunahme der Rate einer Änderung des Laststroms pro Zeiteinheit zu bewirken, welcher von dem Brennstoffzellenkörper 1 extrahiert wird, und zwar bei Zunahme von Restwasserstoff, wodurch es möglich ist, wenn nur mehr wenig Restwasserstoff vorhanden ist, Bedenken zu minimieren hinsichtlich des Auftretens eines Wasserstoffknappheit aufgrund des Laststroms, der mit einem Überschuss extrahiert wird.
    • (C) In S530A wird eine Feststellung getroffen, ob genügend Restwasserstoff vorliegt, um den Solldruck aufrechtzuhalten. Eine detaillierte Sequenz der Operationen in S530A wird nachstehend unter Bezug auf 11 beschrieben. Wenn die Feststellung getroffen ist, dass nach wie vor genügend Restwasserstoff vorliegt, um den Solldruck aufrechtzuhalten (mit NEIN in S530A), dann schreitet die Operation weiter zu S535A, wo eine Feststellung getroffen wird, ob der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode niedriger ist als der gegebene Wert. Falls der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode niedriger ist als der gegebene Wert (mit JA in S535A), schreitet die Operation zu S540A, wo das vorhergehend gewählte Solldruck-Abfall-Ansprechmuster auf ein anderes Solldruck-Abfall-Ansprechmuster geändert wird, welches ein langsameres Ansprechen bewirkt als das Solldruck-Abfall-Ansprechmuster, das in S520A eingestellt war. Es wird so berücksichtigt, dass nach Verbrauch von Wasserstoff zum Entfernen des Restwasserstoffs der resultierende Abfall im Druck an dem Einlass der Anodenelektrode kein Wasserstoffmangel auftritt, wenn zum Verbrauch von Wasserstoff der Laststrom durch den Dummy-Widerstand 26 fließen gelassen wird.
    • (D) Falls die Feststellung getroffen wurde, dass nicht genügend Restwasserstoff vorhanden ist, um den Solldruck aufrechtzuhalten (mit JA in S530A), und der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode den gegebenen Wert überschreitet (mit NEIN in S535A), dann geht die Operation zu S550A. In S550A wird der Solldruck berechnet unter Bezug auf das Solldruck-Abfall-Ansprechmuster.
  • Als nächstes werden detaillierte Operationen in S510A unter Bezug auf 10 beschrieben.
    • (a) In S5100A wird die Menge Q an Wasserstoff, der durch die Spüllieferpassage strömt unter Verwendung der folgenden Gleichungen (4) und (5) geschätzt: Q(m 3/S) = K·Ao·(2ΔP/p)1/2 (4) Ao[m2] = (π/4)·Do2 (5), wobei Do[m] einen Drosselöffnungsdurchmesser des Spülventils 7 repräsentiert, ΔP einen Druck (Variable) der Anodenelektrode repräsentiert, von welchem der atmosphärische Druck subtrahiert ist, p[kg/m3] eine Dichte des Wasserstoffgases repräsentiert, K einen Koeffizienten der Strömungsrate repräsentiert, Ai als Ai[m2] = (π/4)·Di2, und Di[m] ausgedrückt wird und einen Druchmesser einer Leitung repräsentiert.
  • Der Koeffizient K der Strömungsrate ist ein Faktor aus (Ao/Ai), wie ausgedrückt als (K = f(Ao/Ai)) wie in 10 gezeigt.
  • Wenn dies stattfindet, werden als eine Variable des Drucks der Anodenelektrode wiederholte Berechnungszyklen ausgeführt. Es hat für solche Berechnungen keine Bedeutung, dass durch vorläufig ausgeführte Berechnungen schon berechnete Resultate erhalten waren und diese in dem Mikrocomputer gespeichert sind.
    • (b) In S5200A wird eine Feststellung getroffen, ob das Resultat von Q, berechnet durch Substituieren eines passenden Initialwertes in der Druckvariablen der Anodenelektrode, bei einem Wert niedriger als der Menge des Wasserstoffes liegt, der vorhanden ist, um durch die Verwendung des Verdünnungsgebläses 9 verdünnt zu werden auf einen Konzentrationswert unterhalb eines entzündbaren unteren Limits (von 4%) von Wasserstoff. Falls die Feststellung getroffen wurde, dass die Menge des berechneten Wasserstoffs auf den Wert verdünnt werden kann, der niedriger ist als das entzündbare untere Limit (von 4%) von Wasserstoff (JA in S5300A), dann geht die Operation zu S5500A, wo als der untere Grenzwert des Solldrucks ein Wert der Druckvariablen der Anodenelektrode aufgenommen wird. Falls die Feststellung ergibt, dass die Menge des Wasserstoffs das entzündbare unteren Limit (von 4%) überschreiten würde, und es nicht möglich ist, ihn ausreichend zu verdünnen (mit NEIN in S5300A), geht die Operation zu S5400A, wo die Druckvariable der Anodenelektrode für eine Neuberechnung geändert wird, wonach die Operation zurückgeführt wird zu S5100A.
  • Als nächstes werden detaillierte Operationen von S530A unter Bezug auf 11 beschrieben.
    • (I) In S5300A wird ein gemessener Wert des Drucksensors 6 an dem Einlass der Anodenelektrode ausgelesen.
    • (II) In S5310A wird eine Feststellung getroffen, ob eine Differenz zwischen dem Solldruck an dem Einlass der Anodenelektrode und dem gemessenen Wert des Drucksensors 6a einen gegebenen Wert überschreitet.
    • (III) Falls die Differenz zwischen dem Solldruck und dem gemessenen Wert des Drucksensors 6a den gegebenen Wert überschreitet (mit JA in S5310A), geht die Operation zu S5320A, und wird eine Feststellung getroffen, dass es nicht genug Restwasserstoff gibt, um den Solldruck aufrechtzuhalten. Falls der Druck zwischen dem Sollwert und dem gemessenen Wert des Drucksensors 6a den gegebenen Wert nicht überschreitet (mit NEIN in S5310A), wird die Operation intakt übergeführt zu dem Schritt von ”KEHRE ZURÜCK”. Mit der zweiten Ausführungsform wird in S5320A eine Feststellung getroffen, dass es nicht genügend Restwasserstoff gibt, um den Solldruck aufrechtzuerhalten, wenn der Wert des Solldrucks an dem Einlass der Anodenelektrode, von welchem der gemessene Wert des Drucksensors 6a subtrahiert wird, einen positiven gegebenen Wert überschreitet.
  • Mit der zweiten Ausführungsform verbleibt der Druck zwischen dem Wasserstoffzufuhr-Basisventil 3 und der Anodenelektrode in einer ausgeglichenen Kondition, wenn die Wasserstoffzufuhr in S40 abgebrochen wird, um zu bewirken, dass das Wasserstoffzufuhr-Basisventil 3 geschlossen wird, da die Wasserstoffzufuhrleitung nur das Wasserstoffzufuhr-Basisventil 3 inkorporiert hat. Deshalb und falls eine solche Kondition intakt bleibt, strömt kein Restwasserstoff in die Anodenelektrode. Es tritt keine Strömung von Restwasserstoff auf, wenn nicht der Laststrom extrahiert wird, um einen Abfall im Druck der Anodenelektrode zu bewirken.
  • Diesbezüglich wird der Solldruck mit der gegebenen Ansprechzeitkonstanten verringert, und wird der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode gesteuert durch den Laststrom, der durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, was es ermöglicht, dass der Laststrom mit dem Bemühen aus dem Brennstoffzellenkörper 3 extrahiert wird, den Druck auf den Solldruck zu vermindern. Dann beginnt Restwasserstoff in den Brennstoffzellenkörper 1 mit derselben Menge einzuströmen, wie sie durch den Laststrom konsumiert wird (in kubischer Expansion). Demzufolge gleicht die Menge des durch den Laststrom konsumierten Wasserstoffes, wobei der Laststrom durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, der Menge des Wasserstoffs, der in die Anodenelektrode einströmt, und tritt kein Wasserstoffmangel auf, selbst wenn die Wasserstoffzufuhr unterbrochen ist und der Laststrom mit dem daraus resultierenden Abfall der Spannung des Brennstoffzellenkörpers 1 durch den Dummy-Widerstand 26 fließt. Falls auf diese Weise der Laststrom zum Verbrauch von Wasserstoff extrahiert und Restwasserstoff minimiert werden, wird die Wasserstoffmenge verbraucht, die wegen des Laststroms konsumiert werden wird, was in einem Abfall des Drucks bis auf einen Wert niedriger als der Solldruck an dem Einlass der Anodenelektrode resultiert. In dem detaillierten Flussdiagramm für S530A gemäß 11 ist dieser Moment detektiert zum Durchführen einer Bestimmung, dass es nicht genügend verfügbaren Wasserstoff gibt, um den Solldruck aufrechtzuhalten.
  • Auch ist S90A gebildet aus S910 bis S930, wie in 4 gezeigt. In S910 wird eine Feststellung getroffen mit derselben Sequenz wie der von S530A in 11, ob genügend Restwasserstoff verfügbar ist, um den Solldruck aufrechtzuhalten. Falls nicht genügend Restwasserstoff vorhanden ist, um den Solldruck aufrechtzuhalten (mit JA in S910), geht die Operation zu S920A, wo eine Feststellung getroffen wird, ob der an dem Einlass der Anodenelektrode herrschende Druck niedriger ist als ein minimaler unterer Grenzwert. Der minimale untere Grenzwert wird bestimmt, um einen Wert zu nehmen, der bei der Menge an Wasserstoff liegt, die mittels des in S510A betriebenen Verdünnungsgebläses 9 verdünnt werden kann bis auf eine entzündbare untere Grenzspanne (von 4% Wasserstoff). Wenn demzufolge in S920 die Feststellung getroffen wurde, dass der Druck an dem minimalen unteren Grenzwert liegt (mit JA in S920), ist auch in S930 die Feststellung getroffen worden, dass das Brennstoffzellensystem stillgesetzt werden kann, da der Wasserstoff bis auf einen Konzentrationswert verdünnt werden kann, der niedriger ist als der entzündbare Grenzwert, auch dann, wenn der Restwasserstoff auf einmal abgelassen wird.
  • Der Gesamtinhalt der japanischen Anmeldung JP 2005-235427 A , angemeldet unter der No. P2004-039884 mit einem Anmeldetag vom 17. Februar 2004 wird hiermit durch Rückbeziehung inkorpiert.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung oben unter Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden ist, soll die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein, sondern sind im Lichte der obigen Lehren für Fachleute auf diesem Gebiet Modifikationen möglich. Der Schutzumfang der Erfindung ist definiert unter Bezug auf die nachfolgenden Patentansprüche.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Wie oben erläutert, wird erfindungsgemäß während des Anhaltens des Brennstoffzellensystems die Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators verwendet, um Operationen durchzuführen, bei welchen im Verlauf des Anschließens des Dummy-Widerstands 26 an den Brennstoffzellenkörper 1, um dort einen Spannungsabfall zu bewirken (nachdem die Spannung des Brennstoffzellenkörpers 1 auf die gegebenen gegebene Spannung abfällt), die Zufuhr an Wasserstoff abgebrochen und Restwasserstoff konsumiert wird durch den durch den Dummy-Widerstand 26 fließenden Laststrom. Gleichzeitig werden Operationen durchgeführt, um zu verhindern, dass sich die Wirkung des Katalysators verschlechtert, und wird der Druck des Restwasserstoffes auf den atmosphärischen Druck abgesenkt, wobei es möglich ist, die notwendige Zeit, zum Abstellen und Beenden des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu verkürzen.
  • Wie in den 12A und 12B gezeigt, werden die Operationen durchgeführt durch: (a) Abwarten, bis die Spannung bis auf eine gegebene Spannung abfällt, bei welcher die Zufuhr an Wasserstoff abgebrochen werden kann; (b) Unterbrechen der Zufuhr des Wasserstoffs bei der relevanten gegebenen Spannung; und (c) Zulassen, dass der Restwasserstoff durch den durch den Dummy-Widerstand 26 fließenden Strom konsumiert wird, bei gleichzeitiger Durchführung der Operationen, mit denen verhindert wird, dass sich die Katalysatorwirkung verschlechtert, und schließlich das Absenken des Drucks des Restwasserstoffes bis auf den atmosphärischen Druck. Im Gegensatz dazu werden mit dem Abschaltverfahren gemäß dem Stand der Technik die Operationen durchgeführt durch: (1) Abwarten, bis die Spannung eine gegebene Spannung erreicht, bei welcher der Dummy-Widerstand 26 abgeschaltet werden kann, während Wasserstoff zugeführt wird; (2) Unterbrechen der Zufuhr des Wasserstoffs bei der relevanten gegebenen Spannung; und (3) Verdünnen des Restwasserstoffs durch das Verdünnungsgebläse 9. Deshalb ermöglicht es, wie in 12C, die vorliegende Erfindung, die Abschaltzeit durch eine Zeitperiode zu verkürzen, während welcher die Operationen gleichzeitig durchgeführt werden, mit denen verhindert wird, dass sich die Wirkung des Katalysators verschlechtert, und der Druck des Restwasserstoffs auf den atmosphärischen Druck abgesenkt wird.
  • Weiterhin wird, nachdem die Zufuhr des Wasserstoffs unterbrochen ist, der Solllaststrom, der von dem Brennstoffzellenkörper 1 auf eine Weise zu extrahieren ist, um zuzulassen, dass der Druck der Anodenelektrode bei dem gegebenen Druckwert gehalten wird, zur Steuerung des Wasserstoffelektrodendrucks auf eine Weise berechnet, mit der Restwasserstoff konsumiert wird. Die Druckcharakteristik der Anodenelektrode korrespondiert mit einem integrierten Produkt, in welchem die Menge Qaus des Wasserstoffs, der durch die Anodenelektrode konsumiert wird, von der Menge Qin des Wasserstoffes subtrahiert wird, die in die Anodenelektrode strömt, und wird dies ausgedruckt durch eine Formel (Druck = K∫ (Qin – Qaus)dt. Um den Druck der Anodenelektrode auf dem gegebenen Solldruck zu halten, muss die Menge Qin des ankommenden Wasserstoffes gleich sein der Menge Qaus des verbrauchten Wasserstoffs. Als Folge einer solchen Aktion, und falls der Laststrom, der aus dem Brennstoffzellenkörper 1 extrahiert wird, auf eine Weise gesteuert wird, mit der es möglich ist, den Druck der Anodenelektrode bei dem gegebenen Druckwert zu halten, werden die Mengen des an der Anodenelektrode ankommenden Wasserstoffs und die Menge des durch den Laststrom konsumierten Wasserstoffes einander gleich, was es ermöglicht, einen Wasserstoffmangel zu verhindern.
  • Wie in 13A gezeigt, tendiert Wasserstoff dazu, in die Anodenelektrode mit Δq einzuströmen, falls stromauf des Einlasses der Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers 1 eine große Menge komprimierten Restwasserstoffes vorliegt, und der Druck P1 höher ist als der Druck P2 an dem Einlass der Anodenelektrode. Wie in 13B gezeigt, und falls P1 höher ist als P2, erhöht das Vorhandensein einer Zunahme des Drucks an dem Einlass der Anodenelektrode als Folge von Restwasserstoff, der an der Anodenelektrode ankommt, die Wasserstoffmenge, die durch das Fließen des Laststroms konsumiert wird, nur um dasselbe Maß von Δq, um zuzulassen, dass der Solldruck eingehalten bleibt, wodurch es möglich wird, Restwasserstoff auf eine Weise zu konsumieren, mit der ein Wasserstoffmangel ausgeschlossen ist.
  • Weiter existiert eine druckausgeglichene Kondition, und, falls eine derartige Kondition intakt gehalten wird, strömt kein Wasserstoff in die Anodenelektrode, nämlich falls der Druck P1 an dem Einlass der Anodenelektrode dem Druck P2 stromauf der Anodenelektrode gleich ist (wie ausgedrückt als P1 = P2), und wie in 13C gezeigt. Falls hier veranlasst wird, dass der Laststrom mit einem Wert korrespondierend mit Δq zunimmt, dann tendiert der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode zur Abnahme. Dann strömt Wasserstoff mit derselben Menge von Δq in die Anodenelektrode wie Wasserstoff durch den Laststrom konsumiert wird, so dass der Solldruck gehalten bleibt, was es ermöglicht, Restwasserstoff so zu konsumieren, dass ein Wasserstoffmangel ausgeschlossen wird. Dies ist deshalb möglich, da Wasserstoff (Wasserstoff in volumetrischer Expansion), wie er in der ganzen innenseitigen Leitung vorherrscht, in einen Druckausgleich involviert ist und konsumiert werden kann.
  • Weiterhin bewirkt bei normaler Praxis die Reaktion zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff, wie sie an dem Brennstoffzellenkörper 1 auftritt, dass in anderen Werten stets (1/2 Mol) Sauerstoff und (1 Mol) Wasserstoff konsumiert werden und auf diese Weise Wasserstoff mit einer höheren Rate konsumiert wird als Sauerstoff. Wenn demzufolge die Zufuhr der Gase sowohl zu der Anodenelektrode als auch der Kathodenelektrode unterbrochen wird, und der Laststrom kontinuierlich im folgenden Schritt konsumiert wird, wird in der Anodenelektrode verbliebener Wasserstoff rascher konsumiert als in der Kathodenelektrode verbliebener Sauerstoff, was leichter eine Möglichkeit für eine Wasserstoffknappheit bewirken könnte. Mit der vorliegenden Erfindung, da nach einem Start der Durchführung der Operation der Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators Wasserstoff verbraucht wird, der verloren geht, und um eine Abnahme der Menge des Restsauerstoffs zu bewirken, wonach erst die Wasserstoffzufuhr abgebrochen wird, kann Restsauerstoff in der Kathodenelektrode konsumiert werden, ohne eine Wasserstoffknappheit zu bewirken.
  • Darüber hinaus gibt es Möglichkeiten, bei welchen ein Ungleichgewicht auftritt zwischen dem mit dem Laststrom verbrauchten Wasserstoff und Wasserstoff, welcher in die Anodenelektrode strömt, und zwar mit einer resultierenden Wasserstoffknappheit, nämlich wenn der Wasserstoffdruck unter Verwendung des Wasserstoffdruckregelventils 4 geregelt wird, und falls im Hinblick auf eine Verkürzung der Abschaltzeit ein hoher Laststrom fließt, um Restwasserstoff zu konsumieren. Mit der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine Wasserstoffknappheit vermieden werden, da die Operation umgeschaltet wird auf den Schritt der Durchführung der Anodenelektroden-Druckregelung basierend auf dem Laststrombetrieb derart, dass die Menge des mit dem Laststrom konsumierten Wasserstoffs der Menge des Wasserstoffs gleich ist, der in die Anodenelektrode strömt. Zusätzlich wird erfindungsgemäß eine Feststellung getroffen, wenn die Vorrichtung die Operation der Laststromsteuerung ausführt, dass zum Aufrechterhalten des Solldrucks genügender Restwasserstoff fehlt. Wenn die Wasserstoffzufuhr abgebrochen wird, und da Restwasserstoff konsumiert wird, um den Druck der Anodenelektrode an dem Solldruck zu halten, dann nimmt die Menge des durch den Laststrom konsumierten Wasserstoffes progressiv auf Null ab, als Folge davon, dass der Solldruck eingehalten wird. In Fallen, in welchen der Laststrom progressiv auf Null so abnimmt und der Laststrom unter einen gegebenen Wert abfällt, kann diskriminiert werden, dass zum Aufrechterhalten des Solldruckes erforderlicher Restwasserstoff verloren ist.
  • Wie in 14A gezeigt, tendiert Wasserstoff dazu, mit einem Wert von Δq in die Anodenelektrode zu strömen, wenn stromauf des Einlasses der Anodenelektrode des Brennstoffzellenkörpers eine große Menge komprimierten Restwasserstoffs vorliegt, und der Druck P1 höher ist als der Druck P2 an dem Einlass der Anodenelektrode. Wie in 14B gezeigt, bewirkt das Fließen des Laststroms, dass es möglich ist, die zu konsumierende Wasserstoffmenge mit derselben Rate zu konsumieren, wie die des einströmenden Wasserstoffs, um bei dem Solldruck eine ausgeglichene Kondition herbeizuführen, wonach die Menge ankommenden Wasserstoffes und der Laststrom Null werden, wenn P1 höher als P2 und der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode zur Zunahme tendiert als Folge in die Anodenelektrode eintretenden Restwasserstoffes. Konsequent kann eine Feststellung getroffen werden, um ein Timing zu finden, mit welchem die Extraktion des Laststromes zu beenden ist, und zwar durch Detektieren des Fehlens der ausreichenden Menge Restwasserstoff, ehe der tatsächliche Druck der Anodenelektrode unter den Solldruck abfällt. Auch wird, falls eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür existieren sollte, dass eine Wasserstoffknappheit auftreten könnte, sobald der Restwasserstoff zu wenig wird und Wasserstoff weiterhin mehr durch den Laststrom konsumiert wird, welcher durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, kein Versuch ausgeführt, den Laststrom zu extrahieren, eben um zu verhindern, dass eine Wasserstoffknappheit auftritt.
  • Weiterhin existiert eine druckausgeglichene Kondition, und, falls eine derartige Kondition intakt gehalten wird, strömt kein Wasserstoff in die Anodenelektrode, falls der Druck P1 an dem Einlass der Anodenelektrode dem Druck P2 stromauf der Anodenelektrode gleich ist (wie ausgedrückt als P1 = P2), und wie in 14C gezeigt. Wenn hier dafür Sorge getragen wird, dass der Laststrom mit einer Rate erhöht wird korrespondierend mit dem Wert von Δq, dann tendiert der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode zur Abnahme. Dann wird dafür gesorgt, dass soviel Laststrom fließt, um dieselbe Wasserstoffmenge zu konsumieren wie die des ankommenden Wasserstoffes (d. h., Wasserstoff zu konsumieren, der unter einem ausgeglichenen Druck in dem Gesamtsystem involviert ist), und ist bei dem Solldruck eine ausgeglichene Kondition vorhanden, wodurch dann die Menge des ankommenden Wasserstoffes und der Laststrom Null werden. Wenn dies stattfindet, dann kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems auch dann beendet werden, wenn die Spannung im Brennstoffzellenkörper 1 nicht unter ein ausreichend niedriges Niveau abfällt. Dies ermöglicht es, eine solche Verschlechterung oder Beschädigung des Katalysators als Folge eines Wasserstoffmangels zu verhindern, welche in schlechteren Verschlechterungsverlusten resultieren würde als wie die aus dem Aussetzen des Brennstoffzellenkörpers 1 einer Hochspannungskondition resultierende Auflösungsverschlechterung eines Platinkatalysators.
  • Zusätzlich und wie in 15 gezeigt, wird erfindungsgemäß während einer Periode, in welcher die Laststromsteuerungsroutine durchgeführt wird, der Solldruck gesenkt, so dass die Abfallgeschwindigkeit des Solldrucks um so geringer wird, desto niedriger der Druck der Anodenelektrode ist. Das Ändern des Solldrucks auf einen weiterhin verminderten Wert resultiert in einer Aktion, die eine Abnahme der Menge des durch den Laststrom konsumierten Wasserstoffes bewirkt, und in der Möglichkeit resultiert, den Restdruck der Anodenelektrode mit einer raschen Rate zu vermindern, um dadurch eine Verkürzung der Abschaltzeit zu erzielen.
  • Weiterhin wird durch Ändern des Solldrucks derart, dass die Abfallgeschwindigkeit des Solldruckes um so langsamer wird, desto niedriger der Druck der Anodenelektrode ist, die Rate einer Änderung der Menge des konsumierten Wasserstoffs pro Zeiteinheit eine Verringerung der Menge des Restwasserstoffes bewirken, was es ermöglicht, das Risiko einer Wasserstoffknappheit zu reduzieren, wenn die Menge an Restwasserstoff gering wird.
  • Weiterhin wird erfindungsgemäß Wasserstoff in kontinuierlicher Weise zirkuliert, bis der Betrieb des Brennstoffzellensystems beendet ist, ab dem Start der Durchführung der Operation mit der Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators. Es ist demzufolge möglich, während der Durchführung des Betriebs der Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators das Risiko einer Wasserstoffknappheit im Verlauf nach dem Unterbrechen der Wasserstoffzufuhr zu reduzieren, und zuzulassen, dass der Laststrom durch den Dummy-Widerstand 26 fließt, um Verbrauch an Restwasserstoff zu bewirken.
  • Zusätzlich wird erfindungsgemäß das Spülventil 7 geöffnet, um gasförmige Unreinheiten verschieden von Wasserstoff nach außen auszuspülen, die in der Anodenelektrode verblieben sind, und das Innere des Wasserstoffzirkulationspfades mit frischem Wasserstoff zu füllen, ehe während des Betriebs der Vorrichtung zum Unterdrücken einer Verschlechterung der Wirkung des Katalysators die Zufuhr an Wasserstoff unterbrochen wird. Es wird demzufolge möglich, das Risiko einer Wasserstoffknappheit in der Mitte eines Prozesses zu reduzieren, bei welchem während der Durchführung einer Operation der Vorrichtung zum Verhindern einer Verschlechterung der Katalysatorwirkung die Wasserstoffzufuhr abgebrochen wird, und zu gestatten, dass der Laststrom durch den Dummy Widerstand 26 fließt, um Verbrauch von Restwasserstoff zu bewirken.
  • Zeichnungsbeschriftung
  • Fig. 1
    24 Kühlmitteltemperatur-Steuermittel,
    17 Radiator,
    10 Kompressor,
    2 Wasserstofftank,
    28 Mikrocomputer,
    23 Wasserstoffdrucksteuermittel,
    rechts unter 23 externe Last L,
    links unter 23 elektrische Leistung extrahiert,
    20 Leistungsmanager,
    31 Reinwasserelektrode – Anodenelektrode – Kathodenelektrode – Reinwasserelektrode – Kühlmittelströmungskanal,
    15 Kühlmittelpumpe,
    13 Reinwassertank,
    12 Reinwasserpumpe,
    9 Verdünnungsgebläse,
    21 Spannungssensor,
    22 Luftdrucksteuermittel,
    26 Dummy-Widerstand,
    27 Schalter,
    25 Reinwassersammelmittel,
    Fig. 2
    von oben nach unten:
    Start
    S10 trenne externe Lasten von der Brennstoffzelle, unterbreche Luftzufuhr und schalte Wasserstoffzirkulationspumpe ein
    S15 stelle Sollwert der Drucksteuerung für das Wasserstoff-Druckregelventil ein
    S20 stelle Solllastleistung ein, berechne Solllaststrom und schließe Dummy-Widerstands-Schalter
    S30 ist die Spannung niedriger als ein erster gegebener Wert?
    S35 übertrage Solllaststrom an PM,
    S32 erhöhe Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe und öffne das Spülventil für eine gegebene Zeit,
    S40 schließe Wasserstuffzuführ-Basisventil,
    S50 stelle entsprechend der vorliegenden Erfindung Solldruck zum Steuern des Drucks am Einlass der Anodenelektrode der Brennstoffzelle ein durch den Laststrom,
    S60 starte Drucksteuerung am Einlass der Anodenelektrode der Brennstoffzelle durch den Laststrom entsprechend der vorliegenden Erfindung,
    S70 beende Drucksteuerung durch Wasserstoffdruckregelventil,
    S80 öffne bei gegebenem Ansprechen das Wasserstoffdruckregelventil vollständig,
    S85 annulliere den in S20 berechneten Solllaststrom und übernehmen Solllaststrom wie berechnet nach Drucksteuerung und zu Übertragung an PM
    S90 ist es möglich, Betrieb Brennstoffzellensystem anzuhalten und zu beenden?
    S100 öffne den Schalter des Dummy-Widerstands, beende Drucksteuerung durch Laststrom, öffne Spülventil, und schalte Wasserstfoffzirkulationspumpe ab, kehre zurück.
    Fig. 3
    von oben nach unten:
    starte bei S50
    S510 berechne unteren Grenzwert des Solldrucks basierend auf der Differentialdruckspanne der Brennstoffzelle,
    kehre zurück
    Fig. 4
    von oben nach unten:
    starte bei S90
    S910 (identisch mit S530) ist Restwasserstoff vorhanden um Solldruck aufrechtzuhalten?
    S920 liegt der Druck am minimalen unteren Grenzwert?
    S930 diskriminiere, dass Betrieb Brennstoffzellensystem angehalten und beendet werden kann
    kehre zurück.
    Fig. 5
    von oben nach unten:
    starte bei S910 (S530)
    S9050 ist das Wasserstoffdruckregelventil voll geöffnet?
    S9100 lese den Wert des Laststromsensors aus, der aus der Brennstoffzelle zu extrahieren ist,
    S9200 ist der Laststrom Null?
    S9300 diskriminiere, dass Restwasserstoff nicht ausreicht, um den Solldruck aufrechtzuhalten,
    kehre zurück.
    Fig. 6
    von links nach rechts
    Solldruck am Einlass der Anodenelektrode,
    festgestellter Wert des Drucksensors am Einlass der Anodenelektrode,
    28 Mikrocomputer
    Solllaststrom
    Fig. 7
    24 Kühlmitteltemperatur-Steuermittel,
    17 Radiator,
    10 Kompressor,
    2 Wasserstofftank,
    28 Mikrocomputer,
    20 Leistungsmanager,
    31 Reinwasserelektrode – Anodenelektrode – Kathodenelektrode – Reinwasserelektrode – Kühlmittelströmungskanal,
    15 Kühlmittelpumpe,
    13 Reinwassertank,
    12 Reinwasserpumpe,
    9 Verdünnungsgebläse,
    21 Spannungssensor,
    22 Luftdrucksteuermittel,
    26 Dummy-Widerstand,
    27 Schalter,
    25 Reinwassersammelmittel,
    Fig. 8
    von oben nach unten:
    Start
    S10 trenne externe Lasten von der Brennstoffzelle, unterbreche Luftzufuhr und schalte die Wasserstoffzirkulationspumpe ein,
    S20 Stelle die Solllastleistung ein, berechne den Solllaststrom, und schließe den Schalter des Dummy-Widerstands,
    S30 ist die Spannung niedriger als ein erster gegebener Wert?
    S35 übertrage Solllaststrom an PM,
    S32 erhöhe Drehzahl der Wasserstoffzirkulationspumpe und öffne das Spülventil für eine gegebene Zeit,
    S40 schließe das Wasserstoffzuführ-Basisventil,
    S50A stelle den Solldruck ein zum Steuern des Drucks am Einlass der Anodenelektrode der Brennstoffzelle mittels des Laststroms entsprechend der vorliegenden Erfindung,
    S60 starte die Drucksteuerung am Einlass der Anodenelektrode der Brennstoffzelle mittels des Laststroms gemäß der vorliegenden Erfindung,
    S85 annulliere den Laststrom wie bei S20 berechnet und übernehme den Solllaststrom, wie berechnet nach der Drucksteuerung, zur Übertragung an PM,
    S90 ist es möglich, Betrieb Brennstoffzellensystem anzuhalten und die Steuerung zu beenden?
    S100 öffne den Schalter des Dummy-Widerstands, beende die Drucksteuerung mittels des Laststroms, öffne das Spülventil, und schalte die Wasserstoffzirkulationspumpe ab,
    kehre zurück.
    Fig. 9
    links von oben nach unten
    starte bei S50A
    S510A berechne den unteren Grenzwert des Solldrucks,
    S520A stelle mit gegebener Ansprechzeitkonstante das Druckabfall-Ansprechmuster ein,
    S530A genügt Restwasserstoff, um Solldruck aufrechtzuhalten?
    S550A berechne Solldruck unter Bezugnahme auf das Solldruckabfall-Ansprechmuster,
    kehre zurück
    S535A beträgt der Druck am Einlass der Wasserstoffelektrode weniger als ein gegebener Wert?
    S540A ändere das Druckabfall-Ansprechmuster auf niedrigeren Wert,
    Diagramm rechts oben
    Solldruck,
    Druck am Beginn der Steuerung,
    unterer Grenzwert des Solldrucks,
    Zeit.
    Druck zu Beginn der Steuerung,
    unterer Grenzwert des Solldrucks,
    geändert auf ein langsameres Sollansprechmuster,
    Zeit.
    Fig. 10
    links von oben nach unten
    starte bei S510A
    S5100A schätze die Wasserstoffmenge, die durch die Zuführleitung zum Ablassen hindurch geht,
    S5200A vergleiche die geschätzte Menge des Wasserstoffs mit der Wasserstoffmenge, die gelöst werden kann bis zu einem Wert niedriger als eine untere Grenzspanne zur Entzündung (von 4%), des Wasserstoffs, und zwar durch das Dilutionsgebläse,
    S5300A ist Wasserstoff vorhanden, der sich bis auf einen Konzentrationswert unterhalb einer entzündbaren Grenze verdünnen lässt?
    S5500A übernehme den Wert der Variablen des Drucks an der Wasserstoffelektrode als unteren Grenzwert für den Solldruck, kehre zurück
    S5400A berechne erneut die Menge des Wasserstoffs durch Ändern der Variablen des Drucks an der Anodenelektrode,
    rechtes Feld:
    erste zwei Zeilen: Formeln übernehmen,
    dritte Zeile: Do[m]: Drosselöffnungsdurchmesser
    ΔP[Pa]: Elektroden-Wasserstoffdruck,
    sechste Zeile: p[kg/m3]: Wasserstoffgasdichte,
    siebte Zeile: K: Strömungsratenkoeffizient = f(Ao/Ai),
    achte Zeile: Formel übernehmen
    neunte Zeile: Formel übernehmen
    zehnte Zeile: Di[m]: Drosselöffnungsdurchmesser.
    Fig. 11
    von oben nach unten
    Starte bei S530A,
    S5300A lese den Wert des Drucksensors am Einlass der Anodenelektrode ein,
    S5310A überschreitet die Differenz zwischen dem Solldruck und dem gemessenen Wert einen gegebenen Wert?
    S5320A diskriminiere, dass nicht genügend Wasserstoff vorliegt, um den Solldruck aufrechtzuhalten,
    kehre zurück.
    Fig. 12A
    von oben nach unten
    Spannung,
    (gegebene Spannung 1)
    zum Unterbrechen der Zufuhr des Wasserstoffs anliegende Spannung,
    gegebene Spannung zum Abschalten des Dummy-Widerstands,
    Luftzufuhr unterbrochen mit angeschlossenem Dummy-Widerstand,
    Zeit.
    Fig. 12B
    von oben nach unten
    Wasserstoffdruck,
    verkürzt,
    Zeit,
    links unten: Zeitpunkt, an welchem das System angehalten und die Steuerung beendet wurden in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung:
    (a) warte bis die Spannung auf einen Wert abfällt (bei gegebener Spannung), der verfügbar ist zum Anhalten der Zufuhr des Wasserstoffs
    (b) Beende Wasserstoffzufuhr
    (c) Warte auf den Spannungsabfall unter die gegebenen Spannung, während Restwasserstoff entfernt wird (um die Abschaltzeit zu verkürzen),
    rechts unten: Zeitpunkt, an welchem das System angehalten und die Steuerung beendet werden, im Stand der Technik:
    (1) Warte ab, bis die Spannung unter die Spannung abfällt, die verfügbar ist, um den Dummy-Widerstand abzuschalten
    (2) Beende die Wasserstoffzufuhr
    (3) Warte ab, bis der Restwasserstoff entfernt worden ist.
    Fig. 12C
    von oben nach unten
    lasse Wasserstoffdruck ab,
    Zeit,
    Stand der Technik,
    Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    verkürzt,
    lasse Wasserstoffdruck ab.
    Fig. 13A
    von links nach rechts
    2 Wasserstofftank,
    3 Wasserstoffzufuhr-Basisventil geschlossen,
    4 Wasserstoffdruckregelventil geöffnet,
    6a Drucksensor am Einlass der Wasserstoffelektrode,
    1 Brennstoffzellenkörper,
    Laststrom,
    26 Lastvorrichtung (Dummy-Widerstand),
    28 Wasserstoffdrucksteuermittel, basierend auf Laststrom.
    Fig. 13B
    von oben nach unten
    im Fall von P1 > P2
    Solldruck,
    Zeit
    Strömungsrate des einströmenden Wasserstoffs,
    Strömungsrate des verbrauchten Wasserstoffs,
    Zeit,
    Wasserstoffmenge verbraucht bei Laststrom = Wasserstoffmenge, die in Brennstoffzelle einströmt.
    Fig. 13C
    von oben nach unten
    im Fall von P1 = P2,
    Solldruck,
    Zeit,
    Strömungsrate des Wasserstoffs,
    Zeit,
    Menge des beim Laststrom verbrauchten Wasserstoffs = Wasserstoffmenge, die in Brennstoffzelle strömt.
    Fig. 14A
    von links nach rechts
    2 Wasserstofftank,
    3 Wasserstoffzuführ-Basisventil geschlossen,
    4 Wasserstoffdruckregelventil geöffnet,
    6a Drucksensor am Einlass der Wasserstoffelektrode,
    1 Brennstoffzellenkörper,
    unter 1 Laststrom,
    26 Lastvorrichtung (Dummy-Widerstand),
    28 Wasserstoffdrucksteuermittel basierend auf Laststrom.
    Fig. 14B
    von oben nach unten
    in Fall von P1 > P2
    Solldruck,
    Zeit,
    Strömungsrate des einströmenden Wasserstoffs,
    Strömungsrate des verbrauchten Wasserstoffs,
    Grenzpunkt, um Solldruck aufrechtzuhalten,
    Zeit.
    Fig. 14C
    von oben nach unten
    im Fall von P1 = P2
    Solldruck,
    Zeit,
    Strömungsrate des einströmenden Wasserstoffs,
    Strömungsrate des verbrauchten Wasserstoffs,
    Grenzpunkt für den Solldruck, um aufrechtgehalten zu werden,
    Zeit.
    Fig. 15
    links von oben nach unten
    Grenzpunkt, um Solldruck aufrechtzuhalten,
    Solldruck,
    Zeit,
    Laststrom,
    Zeit,
    Spannung,
    zum Abschalten des Dummy-Widerstands verfügbare Spannung,
    Zeit,
    Mitte, von oben nach unten
    Solldruck fixiert,
    aufgrund ankommender Strömung komprimierten Restwasserstoffs wird Restwasserstoff durch Laststrom verbraucht, um Solldruck aufrechtzuhalten,
    aufgrund des Verbrauchs des Restwasserstoffs tritt ein Spannungsabfall ein.
    rechts von oben nach unten
    ändere Solldruck,
    um Druck zu senken liest erhöhter Laststrom,??
    aufgrund raschen Wasserstoffverbrauchs tritt ein rascher Spannungsabfall ein.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, gekennzeichnet durch: ein Bereitstellen eines Brennstoffzellenkörpers (1) mit einer mit einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas versorgten Anodenelektrode und einer mit einem Oxidationsgas versorgten Kathodenelektrode, ein Bereitstellen einer internen Last (26), ein Unterbrechen einer Zufuhr an Oxidationsgas zu der Kathodenelektrode nach Abtrennen einer externen Last (L) von dem Brennstoffzellenkörper (1), ein Verbinden der internen Last (26) mit dem Brennstoffzellenkörper (1), um das Abführen eines Laststroms von dem Brennstoffzellenkörper (1) zu ermöglichen, während der Anodenelektrode das Brennstoffgas zugeführt wird, ein Unterbrechen einer Zufuhr des Brennstoffgases zur Anodenelektrode, ausgenommen von nach der Unterbrechung der Zufuhr stromab einer Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3) noch vorhandenem Restwasserstoff, der der Anodenelektrode während einer Periode zugeführt wird, in welcher der Laststrom durch die interne Last (26) abgeführt wird, und ein Steuern des Laststromes derart, dass der Druck im Inneren der Anodenelektrode auf einem Sollwert gehalten wird, nachdem die Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode unterbrochen ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Verfahren eine Katalysator-Degradation unterdrückt wird, indem das Ableiten des Laststroms durch die interne Last (26) abgebrochen wird, wenn der Laststrom unter einen vorgegebenen Wert abfällt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Laststrom-Regelvorrichtung (20) der Sollwert des Druckes im Inneren der Anodenelektrode derart abgesenkt wird, dass die Abfallgeschwindigkeit des Drucks umso langsamer wird, desto niedriger der Druck innerhalb der Anodenelektrode ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Wasserstoffzirkulationspfad von einem Auslass der Anodenelektrode ausgestoßener Abgas-Wasserstoff zu einem Einlass der Anodenelektrode zirkuliert und über eine Wasserstoffzirkulationsvorrichtung (8) Brennstoffgas zirkuliert, wobei die Wasserstoffzirkulationsvorrichtung (8) vor dem Ableiten des Laststroms durch die interne Last betätigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spülventil (7) mit einem Auslass der Anodenelektrode verbunden ist, wobei das Spülventil (7) vor dem Unterbrechen der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode geöffnet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoffdruck-Regelventil (4) mit einem Einlass der Anodenelektrode verbunden ist, und mit diesem der Druck an dem Einlass der Anodenelektrode auf einen vorgegebenen Druck während der Periode, in welcher der Laststrom durch die interne Last (26) abgeleitet wird, reguliert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (6a) den Druck an dem Einlass der Anodenelektrode misst und den gemessenen Wert bereitstellt und ein Wasserstoffdrucksteuermittel (23) für die Steuerung des Wasserstoffdruck-Regelventils (4) auf den Meßwert reagiert, der von dem Drucksensor geliefert wird, um zu ermöglichen, dass genau soviel Brennstoffgas zugeführt wird, wie während der Periode durch die Brennstoffzelle verbraucht wird, in welcher der Laststrom durch den internen Verbraucher (26) abgeleitet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge stromab der Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3) in die Anodenelektrode strömenden Restwasserstoffs nahezu der Menge an Wasserstoff gleich ist, die durch den Laststrom konsumiert wird, sofern der Druck in der Anodenelektrode auf dem Sollwert gehalten wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterdrücken einer Katalysator-Degradation der Laststrom basierend auf dem vorgegebenen Sollwert des Druckes und dem von dem Drucksensor (6a) gelieferten, gemessenen Wert bereitgestellt wird.
  10. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unterdrücken einer Katalysator-Degradation ein erstes Druck-Abfall-Ansprechmuster und ein zweites Druck-Abfall-Ansprechmuster bestimmt wird, welches in seiner Ansprechgeschwindigkeit langsamer ist als das erste Druck-Abfall-Ansprechmuster, so dass, wenn der Druck in der Anodenelektrode unterhalb eines gegebenen Werts liegt, das zweite Druck-Abfall-Ansprechmuster ausgewählt wird, um zuzulassen, dass die Laststrom-Regelvorrichtung (20) den Laststrom in Übereinstimmung mit dem zweiten Druck-Abfall-Ansprechmuster variiert.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdünnungsgebläse (9) mit einem Auslass der Anodenelektrode verbunden ist, um abgegebenen Wasserstoff bis auf eine gegebene Konzentration zu verdünnen, wobei zum Unterdrücken einer Katalysator-Degradation ein unterer Grenzwert für den Solldruck, basierend auf einer Verdünnungskapazität des Verdünnungsgebläses (9), eingestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungssensor eine Spannung des Brennstoffzellenkörpers (1) detektiert und den detektierten Wert bereitstellt, wobei zum Unterdrücken einer Katalysator-Degradation die Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3) die Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode unter Ansprechen auf den Wert der detektierten Spannung unterbricht.
  13. Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend: einen Brennstoffzellenkörper mit einer Anodenelektrode, die mit einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoffgas versorgbar ist, und einer Kathodenelektrode, die mit einem Oxidationsgas versorgbar ist, eine Vorrichtung zur Unterdrückung einer Katalysator-Degradation, eingerichtet zur Unterbrechung der Zufuhr des Oxidationsgases zur Kathodenelektrode nach Abtrennen einer externen Last (L) von dem Brennstoffzellenkörper (1) und um eine interne Last (26) an den Brennstoffzellenkörper (1) anzuschließen, um einen Laststrom von dem Brennstoffzellenkörper (1) abzuleiten, während das Brennstoffgas der Anodenelektrode zugeführt wird, eine als EIN/AUS-Basisventil ausgebildete Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3), die betreibbar ist zur Unterbrechung der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode, ausgenommen von nach der Unterbrechung der Zufuhr der Wasserstoffzufuhr-Stoppvorrichtung (3) noch vorhandenem Restwasserstoff, der der Anodenelektrode, während einer Periode, in welcher der Laststrom durch die interne Last (26) abgeleitet wird, zugeführt wird, und eine Laststrom-Regelvorrichtung (20), die zur Steuerung eines Laststromes derart eingerichtet ist, dass nach dem Abbruch der Zufuhr des Brennstoffgases zu der Anodenelektrode der Druck im Inneren der Anodenelektrode auf einem Sollwert gehalten wird.
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