DE112005000906T5

DE112005000906T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112005000906T5
Application number: DE112005000906T
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN1943066A; JP2005310653A; US20070218330A1; WO2005104283A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel, und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Konzentration des Brennstoffes oder die Konzentration der Gasverunreinigung im Anodenweg abgeleitet ist auf Basis des Differentialdrucks zwischen zwei festgelegten Punkten im Anodenweg.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere auf die Abschätzung einer Brennstoffkonzentration in einem Brennstoff-Zirkulationsweg.
Eine Brennstoffzelle wird angesehen als eine umweltfreundliche, saubere Energiequelle. Eine derartige Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität mittels einer elektrochemischen Reaktion, die erzeugt wird unter Verwendung von Brennstoff wie Wasserstoff und sauerstoffhaltigem bzw. oxidiertem Gas wie Luft. Nicht der gesamte Brennstoff, der in einen Brennstoffzellen-Stapel eingeführt wird, reagiert mit Sauerstoff, um Wasserdampf zu erzeugen, sondern etwas Brennstoff geht direkt durch den Brennstoffzellen-Stapel und wird zusammen mit dem Wasserdampf freigesetzt. Wenn dieser Brennstoff, der direkt hindurchgegangen ist, an die Luft freigesetzt wird, wird der Brennstoff unbrauchbar, daher wird ein Abgas aus der Brennstoffelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel zirkuliert und danach wieder in die Brennstoffelektrode eingeführt.
Die offengelegte japanische Patenanmeldung Nr. 2003-317752 beschreibt, dass die Schallgeschwindigkeit innerhalb des Gases im Wasserstoff-Zirkulationssystem erhalten wird, und die Wasserstoff-Konzentration oder die Konzentration der Gasverunreinigung abgeschätzt wird auf Grundlage der erhaltenen Schallgeschwindigkeit. Danach wird ein Purge bzw. eine Spülung durchgeführt, wenn die Wasserstoff-Flussrate gleich oder geringer ist als ein Schwellenwert bzw. ein Grenzwert, und die Menge bzw. der Überfluss der Gasverunreinigung mindestens ein Grenzwert bzw. ein Schwellenwert ist, wodurch die Energieeffizienz im Brennstoffzellensystem erhöht wird.
Allerdings ist in dieser konventionellen Technik eine Ausstattung zur Ultraschallübertragung und für den Empfang von Ultraschall erforderlich, um die Schallgeschwindigkeit zu messen, und Probleme wie die Komplexität der Vorrichtungen, erhöhte Kosten und die Schwierigkeit der Wartung werden verursacht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die derartigen Probleme der konventionellen Technik zu lösen, und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das fähig ist, die Brennstoff-Konzentration und/oder die Konzentration einer Gasverunreinigung mit einem einfachen Aufbau abzuschätzen.
Um die obigen Probleme zu lösen, ist ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das umfasst einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel, und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Brennstoff-Konzentration oder die Konzentration der Gasverunreinigung bzw. des Verunreinigungsgases im Anodenweg abgeleitet ist auf Basis des Differentialdruckes zwischen zwei festgelegten Punkten im Anodenweg. Der Differentialdruck kann gemessen werden mittels einer Differentialdruck-Anzeige oder einem Druckmessgerät, angeordnet in einem Leitungssystem, somit kann eine Gaskonzentration mit einem einfachen Aufbau abgeschätzt werden, ohne dass ein spezielles Messinstrument erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der vorstehend erwähnte Differentialdruck der Differentialdruck jenseits bzw. über einem Kontrollventil bzw. Sperrventil im Anodenweg, oder der Differentialdruck zwischen zwei Punkten auf beiden Seiten des Brennstoffzellen-Stapels. Beispielsweise, da der Differentialdruck in einfacher Weise vor und hinter dem Kontrollventil erzeugt wird, kann der Differentialdruck in geeigneter Weise gemessen werden, somit ist die Messung des Differentialdrucks vor und hinter dem Kontrollventil ausgezeichnet, weil keine spezielle Struktur erforderlich ist, um das Auftreten eines Druckverlustes zu beherrschen.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Abgas aus dem Anodenweg gesteuert auf Grundlage der abgeleiteten Brennstoff-Konzentration oder der Konzentration der Gasverunreinigung bzw. des Verunreinigungsgases. Auf diese Weise können Effizienz und Stabilität des Systems in effizienter Weise gewährleistet werden.
In einem solchen Fall, wenn die abgeleitete Brennstoff-Konzentration verringert ist, oder wenn die abgeleitete Konzentration der Gasverunreinigung bzw. des Verunreinigungsgases erhöht ist, kann ein Purge bzw. eine Spülung des Anodenwegs durchgeführt werden. Es wird bevorzugt, dass dieser Purge bzw. diese Spülung durchgeführt wird durch Öffnen eines Absperrventils innerhalb des Anodenwegs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Zustand eines Elektrolyten im Brennstoffzellen-Stapel bestimmt auf Basis der abgeleiteten Brennstoff-Konzentration oder der Konzentration der Gasverunreinigung bzw. des Verunreinigungsgases. Demgemäß kann eine Verschlechterung der Membran selbst während eines Betriebs bewertet werden, und eine Wartungsinformation kann einem Benutzer und dergleichen übermittelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Anodenweg einen Zirkulationsweg für das Zirkulieren des Brennstoffes, der aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel ausströmt, zurück zur Anodenelektrode.
Ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel, und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Brennstoff-Konzentration oder die Konzentration einer Gasverunreinigung bzw. eines Verunreinigungsgases im Anodenweg abgeleitet ist auf Grundlage des Differentialdruckes im Anodenweg. Gemäß diesem Aufbau kann der Differentialdruck gemessen werden mittels einer Druckunterschiedsanzeige oder eines Druckmessgerätes, angeordnet in einem Leitungssystem, und somit kann eine Gaskonzentration mit einem einfachen Aufbau abgeschätzt bzw. bestimmt werden, ohne dass irgendein spezielles Messinstrument erforderlich ist.
Darüber hinaus ist ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei das Abgas aus dem Anodenweg gesteuert wird auf Basis des Druckverlustes im Anodenweg. Gemäß diesem Aufbau, in der Art und Weise wie obenstehend beschrieben, kann der Druckverlust gemessen werden mit einem einfachen Aufbau, und das Abgas aus dem Anodenweg wird gesteuert auf Basis dieser Messung, somit können Effizienz und Stabilität des Systems in effizienter Weise gewährleistet werden.
Ein weiteres Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in dem Brennstoffzellen-Stapel, wobei der Zustand eines Elektrolyten in dem Brennstoffzellen-Stapel bestimmt wird auf Basis des Druckverlustes im Anodenweg. In der Weise wie obenstehend beschrieben, kann der Druckverlust gemessen werden mit einem einfachen Aufbau, und der Zustand des Elektrolyten wird bestimmt auf Basis dieser Messung, somit kann die Verschlechterung der Membran auch während eines Betriebs bewertet werden, und eine Wartungsinformation kann einem Benutzer und dergleichen prompt übermittelt werden.
In diesem Fall wird bevorzugt, dass die Verschlechterung des Elektrolyten im Brennstoffzellen-Stapel bestimmt wird auf Basis der Geschwindigkeit des Anstiegs der abgeleiteten Konzentration der Gasverunreinigung.
Im obigen Brennstoffzellensystem wird bevorzugt, dass der Druckverlust abgeleitet wird durch Messen des Drucks, der vor und hinter einem Kontrollventil im Anodenweg unterschiedlich ist. Da der Druckverlust in einfacher Weise vor und hinter dem Kontrollventil erzeugt wird, kann der Druckverlust in geeigneter Weise gemessen werden, somit ist das Messungsventil bzw. die Messung ausgezeichnet, weil keine besondere Struktur erforderlich ist, um das Auftreten des Druckverlustes zu beherrschen.
Wie obenstehend beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, das fähig ist, die Brennstoff-Konzentration und/oder die Konzentration einer Gasverunreinigung bzw. eines Verunreinigungsgases mit einem einfachen Aufbau abzuschätzen.
1 ist ein Konfigurierdiagramm, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Verfahrens des Abschätzens einer Gaskonzentration gemäß dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Verfahrens des Steuerns eines Ausströmungs-Sperrventils gemäß dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform zeigt; und
4 ist ein Flussdiagramm, das einen Ablauf eines Verfahrens des Beurteilens der Verschlechterung eines Elektrolyten gemäß dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform zeigt.
Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
[1. Aufbau eines Brennstoffzellensystem]
1 ist ein Konfigurierdiagramm, das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in der Figur gezeigt, wird Luft (umgebende Luft) als oxidiertes Gas bzw. sauerstoffhaltiges Gas zugeführt zu einer Luftzuführungs-Öffnung in einem Brennstoffzellen-Stapel 20 über einen Luftzuführungsweg 71. Der Luftzuführungsweg 71 ist bereitgestellt mit einem Luftfilter 11 für das Entfernen von mikroskopischen Partikeln aus der Luft, einem Kompressor 12 für das Unter-Druck-Setzen der Luft, einem Druckfühler 51 für das Detektieren des Drucks der zugeführten Luft, und einem Befeuchter 13 für das Hinzufügen von erforderlicher Feuchtigkeit zur Luft. Es ist zu beachten, dass der Luftfilter bereitgestellt ist mit einem Luftmengenmesser (Flussmesser) für das Detektieren einer Luftmengenrate bzw. Luftmengengeschwindigkeit.
Luft-Abgas, das aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausströmt, wird freigesetzt an die Außenseite über einen Ausströmungsweg 72. Der Ausströmungsweg 72 ist bereitgestellt mit einem Druckfühler 52 für das Detektieren des Druckes der Abgas-Luft, einem Druckregulierungsventil 14 und dem Befeuchter 13. Das Druckregulierungsventil (Druckverringerungsventil) 14 funktioniert als Druckregler für das Festlegen des Druckes der Luft, die dem Brennstoffzellen-Stapel 20 zugeführt wird. Nicht gezeigte Detektionssignale der Druckfühler 51 und 52 werden an einen Steuerabschnitt 50 gesendet. Der Steuerabschnitt 50 legt den Zuführungs-Luftdruck oder die Zuführungs-Flussrate fest durch Einstellen des Kompressors 12 und des Druckregulierungsventils 14.
Wasserstoff als Brennstoff wird zugeführt aus einer Wasserstoff-Zuführungsquelle 31 zu einer Wasserstoffzuführungs-Öffnung im Brennstoffzellen-Stapel 20 über einen Brennstoffzuführungsweg 75. Der Brennstoffzuführungsweg 75 ist bereitgestellt mit einem Druckfühler 54 für das Detektieren des Druckes der Wasserstoff-Zuführungsquelle, einem Wasserstoffregulierungsventil 32 für das Regulieren des Druckes des Wasserstoffs, der dem Brennstoffzellen-Stapel 20 zugeführt wird, einem Sperrventil 41, einem Entlastungsventil 39, das geöffnet wird, wenn ein anomaler Druck im Brennstoffzuführungsweg 75 auftritt, einem Sperrventil 33 und einem Druckfühler 55 für das Detektieren des Einspeisungsdrucks des Wasserstoffes. Nicht gezeigte Detektionssignale aus den Druckfühlern 54 und 55 werden dem Steuerabschnitt 50 zugeführt.
Der Wasserstoff, der nicht im Brennstoffzellen-Stapel 20 verbraucht wird, wird als Wasserstoff-Abgas abgeführt zu einem Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 und danach zurückgeführt zu einer Seite stromabwärts des Sperrventils 41 im Brennstoffzuführungsweg 75. Der Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 ist bereitgestellt mit einem Temperaturfühler 63 für das Detektieren einer Temperatur des Wasserstoff-Abgases, einem Sperrventil 34 für das Steuern des Ausströmens des Wasserstoff-Abgases, einem Gas-Flüssigkeits-Separator 35 für das Zurückgewinnen von Feuchtigkeit aus dem Wasserstoff-Abgas, einem Abflussventil bzw. Ablaufventil 36 für das Wiedergewinnen des zurückgewonnen Wassers in einem nicht gezeigten Behälter, einer Wasserstoffpumpe 37 für das Unter-Druck-Setzen des Wasserstoff-Abgases, und einem Kontrollventil 40. Als Einrichtung für das Unter-Druck-Setzen des Wasserstoff-Abgases kann ein Ejektor verwendet werden anstelle der Wasserstoffpumpe 37. Vorzugsweise, durch Bereitstellen einer Druckunterschieds-Anzeige 58 für das Messen des Differentialdrucks jenseits bzw. über dem Kontrollventil 40, oder von Druckfühlern, bereitgestellt vor und hinter dem Kontrollventil 40 und für das Messen des Druckes vor und hinter dem Kontrollventil 40, wird der Druckverlust (Differentialdruck) im Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 gemessen, und die Wasserstoffkonzentration oder die Konzentration der Gasverunreinigung wird wie nachstehend beschrieben abgeschätzt. Darüber hinaus, um eine Gas-Flussgeschwindigkeit im Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 zu erhalten, wird bevorzugt, dass ein Flussgeschwindigkeitsmesser bei dem Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 bereitgestellt wird, oder eine zählende Einrichtung für das Zählen der Anzahl der Rotation der Wasserstoffpumpe 37, Ein nicht gezeigtes Detektionssignal des Temperaturfühlers 63 wird dem Steuerabschnitt 50 zugeführt.
Eine Tätigkeit der Wasserstoffpumpe 37 wird gesteuert durch den Steuerabschnitt 50. Das Wasserstoff-Abgas verschmilzt mit dem Wasserstoff bei dem Brennstoffzuführungsweg 75, wird danach dem Brennstoffzellen-Stapel 20 zugeführt, und wieder verwendet. Das Kontrollventil 40 vermeidet, dass Wasserstoff aus dem Brennstoffzuführungsweg 75 zurückfließt zur Seite des Wasserstoff-Zirkulationsweges 76. Eine Leitung eines Wegs, die sich von dem Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 erstreckt, läuft durch den Punkt hindurch, der mit dem Brennstoffzuführungsweg 75 verschmilzt, und erreicht die Brennstoffelektrode in dem Brennstoffzellen-Stapel, entsprechend einer Anodenweg der vorliegenden Erfindung.
Der Wasserstoff-Zirkulationsweg 76 ist verbunden mit einem Ausströmungsweg 72 durch einen Spülungsflussweg 77 über ein Ausströmungs-Sperrventil (Spülungsventil bzw. Purge-Ventil) 38. Das Ausströmungs-Sperrventil 38 ist ein elektromagnetisches Sperrventil, und setzt das Wasserstoff-Abgas an die Außenseite frei, indem es aktiviert wird auf Befehl des Steuerabschnitts 50. Durch unterbrochenes bzw. periodisches Durchführen dieses Spülungsvorganges bzw. Purge-Vorganges kann die Herabsetzung der Zellspannung, die verursacht wird durch einen Anstieg der Konzentration der Verunreinigung des Wasserstoffes auf der Seite der Brennstoffelektrode, vermieden werden durch Zirkulation des Wasserstoff-Abgases.
Des Weiteren ist ein Kühlmittelweg 74 für das Zirkulieren von Kühlwasser bereitgestellt am Kühlwassereingang im Brennstoffzellen-Stapel 20. Der Kühlmittelweg 74 ist bereitgestellt mit einem Temperaturfühler 61 für das Detektieren der Temperatur des Kühlwassers, das ausströmt aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20, einem Heizer (Wärmeausstrahler) 21 für das Freisetzen der Wärme des Kühlwassers an die Außenseite, einer Pumpe 22 für das Unter-Druck-Setzen und Zirkulieren des Kühlwassers, und einem Temperaturfühler 62 für das Detektieren der Temperatur des Kühlwassers, das dem Brennstoffzellen-Stapel 20 zugeführt wird.
Der Steuerabschnitt 50 empfängt eine Anforderung wie ein Beschleunigungssignal von einem nicht gezeigten Fahrzeug, und eine Kontrollinformation bzw. Steuerinformation aus jedem Fühler im Brennstoffzellensystem, und steuert die Tätigkeiten der verschiedenen Ventile und Motoren. Der Steuerabschnitt 50 ist aufgebaut aus einem Steuerungscomputersystem, bereitgestellt mit einer nicht gezeigten arithmetischen Vorrichtung und einer Speichervorrichtung. Das Steuerungscomputersystem kann aufgebaut sein aus bekannten, erhältlichen Systemen.
[2. Prinzip des Abschätzens der Gaskonzentration]
Das Prinzip einer Methode des Abschätzens der Wasserstoffkonzentration oder der Konzentration der Gasverunreinigung in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird beschrieben.
[2-1. Voraussetzung]
Zunächst ist in einem beständigen Gasfluss der Druckverlust im System proportional zur Dichte des Gases. Beispielsweise beträgt das Molekulargewicht von Wasserstoff als Brennstoff 2, und das Molekulargewicht von Stickstoff als Gasverunreinigung beträgt 28, somit ist beispielsweise die Dichte und der Druckverlust in 100% Stickstoff 14-mal bezogen auf 100 Wasserstoffs.
Als nächstes ist das Gas im Wasserstoff-Zirkulationssystem hauptsächlich Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf. Der Stickstoff ist eine Gasverunreinigung, die aus der Luftelektrode durchdringt, und der Wasserdampf ist ein Produkt, erzeugt durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Menge des Wasserdampfs im Wesentlichen zu gesättigtem Dampf wird (bei einem Abgas im Brennstoffzellen-Stapel).
Daher ist das Verhältnis zwischen der Menge der Veränderung im Druckverlust und der Erhöhung des Stickstoffs 1:1, somit kann die Stickstoffkonzentration und die Wasserstoffkonzentration auf Basis des Druckverlusts abgeschätzt werden.
[2-2. Berechnungsmethode]
Als nächstes wird ein spezielles Beispiel einer Berechnungsmethode für das Abschätzen einer Gaskonzentration beschrieben.
Wenn der Druck von gesättigtem Dampf bei einer bestimmten Temperatur P_H2O ist, und der Gasdruck im System P_sys ist, wird der prozentuale Anteil des Wasserdampfs im System, W_H2O(%), wie folgt ausgedrückt: WH2O(%) = PH2O/Psys × 100(%).
Wenn der Druckverlust im Wasserstoff mit 100 Feuchtigkeit bei dieser Temperatur (wenn die Stickstoffkonzentration 0% ist) P_L1 ist, und der Druckverlust bei der Wasserstoffkonzentration W_H2 ist P_L2, besteht die folgende Beziehung. PL1:PL2 = {WH2O × 18 + (100 – WH2O) × 2}:{WH2O × 18 + WH2 × 2 + (100 – WH2O – WH2) × 28}
Wenn diese Gleichung gelöst wird, wird die Wasserstoffkonzentration W_H2 erhalten. Bei der Gleichung ist zu beachten, dass 18 das Molekulargewicht von Wasser, und 100 – W_H2O – W_H2 die Stickstoffkonzentration ist.
Es ist zu beachten, dass die obige Berechnung nur ein Beispiel ist, und somit ist die Berechnungsmethode nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Beispielsweise kann vorher eine Attribut-Karte erstellt werden, so dass die Wasserstoffkonzentration und die Stickstoffkonzentration in einfacher Weise durch Eingeben eines Parameters erhalten werden können, und die experimentellen Werte können anstelle von berechneten Werten verwendet werden in einer Methode des Erzeugens der Attribut-Karte.
Darüber hinaus sind die Position und die Methode für das Messen des Druckverlustes (Differentialdruck) des Brennstoff-Abgases nicht besonders eingeschränkt, so lange die Messung im Anodenweg durchgeführt wird, somit kann beispielsweise eine Düse, die den Druckverlust erzeugt, in separater Weise bereitgestellt werden, um den Differentialdruck jenseits bzw. über der Düse zu messen. Des Weiteren kann die Düse bereitgestellt werden bei einer geringeren Strömung von dem Punkt aus, wo der Wasserstoffzirkulationsweg 76 mit dem Brennstoffzuführungsweg 75 verschmilzt. Allerdings kann beim Bestimmen des Druckverlustes aus dem Differentialdruck zwischen den zwei Punkten auf beiden Seiten des Brennstoffzellen-Stapels der Druckverlust wie folgt bestimmt werden:
Druckverlust = Differentialdruck – Druck, verbraucht im Stapel, der berechnet wird aus der Menge des Stroms in der Brennstoffzelle, – Menge eines Nebenschlusses bzw. Cross-Verlustes.
[3. Operation des Abschätzens der Gaskonzentration]
Die Operation des Abschätzens der Gaskonzentration, durchgeführt durch den Steuerabschnitt 50 im Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird beschrieben mit Bezug auf das in 2 gezeigte Flussdiagramm. Der Steuerabschnitt 50 besteht aus einem Steuerungscomputer, wie obenstehend beschrieben, und führt die Steuerung der Tätigkeit jedes Teils im Brennstoffzellensystem gemäß einem nicht gezeigten Steuerungsprogramm aus.
Zunächst wird überprüft, ob das Ausströmungs-Sperrventil 38 geschlossen ist oder nicht (Schritt 11). Wenn das Ausströmungs-Sperrventil 38 geöffnet ist (Schritt 11: NEIN), bedeutet dies, dass Wasserstoff gespült wird, und die Gaskonzentration muss nicht abgeschätzt werden, somit kehrt der Prozess zurück, um den Zeitpunkt der nächsten Operation abzuwarten. Wenn das Ausströmungs-Sperrventil 38 geschlossen ist (Schritt 11: JA), wird der Differentialdruck zwischen zwei festgelegten Punkten im Anodenweg abgelesen von einer Ausgabe der Druckunterschieds-Anzeige 58, und Gastemperatur und Flussgeschwindigkeit werden erhalten durch den Temperaturfühler 63 und den Flussgeschwindigkeitsmesser (Schritt 12).
Der Druckverlust P_L2 wird bestimmt aus dem abgelesenen Differentialdruck, und die Menge des gesättigten Wasserdampfes W_H2O und der Differentialdruck P_L1 des Wasserstoffes werden bestimmt aus der Gastemperatur, somit werden die Wasserstoffkonzentration und die Stickstoffkonzentration berechnet anhand der obigen Berechnung (Schritt 13). Wenn die Gaskonzentration berechnet ist, werden die Stickstoffkonzentration (und die Wasserstoffkonzentration, falls erforderlich) in der Speichervorrichtung gespeichert (Schritt 14).
[4. Ansteuerungsoperation des Ausströmungs-Sperrventils]
Eine Ansteuerungsoperation eines Ausströmungs-Sperrventils, durchgeführt durch den Steuerabschnitt 50 im Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird mit Bezug auf das in 3 gezeigte Flussdiagramm beschrieben.
Zuerst werden die Wasserstoffkonzentration und die Stickstoffkonzentration, die im in 2 gezeigten Prozess abgeschätzt werden, erhalten (Schritt 21). Als nächstes wird die Menge des Systemverlustes (die erhöhte Menge der mechanischen Energie der Wasserstoffpumpe + die herabgesetzte Menge der Fördermenge bzw. des Outputs in der Brennstoffzelle) berechnet auf Basis der erhaltenen Stickstoffkonzentration (Schritt 22). Wenn die Stickstoffkonzentration ansteigt, ist es notwendig, eine große Gasmenge zuzuführen, um der Brennstoffzelle ausreichend Wasserstoff zuzuführen. Des Weiteren, wenn die Gasdichte erhöht wird, wird der Druckverlust groß, und die notwendige mechanische Energie der Wasserstoffpumpe 37 wird groß, wodurch der Verlust ansteigt. Darüber hinaus, wenn die Stickstoffkonzentration ansteigt, nimmt die Effizienz der Energieerzeugung im Brennstoffzellen-Stapel ab. Wenn der Systemverlust, verursacht durch diese Faktoren, größer ist als der Verlust, der verursacht wird durch die Freisetzung des Wasserstoffes, ist es vernünftig, das Wasserstoff-Abgas freizusetzen. Zusätzlich, wenn die Wasserstoffkonzentration verringert wird bis auf einen Grad, der einen nachteiligen Effekt auf die Stabilität der Brennstoffzelle ausübt, ist es notwendig, das Wasserstoffabgas freizusetzen und neuen Wasserstoff einzuführen. In Schritt 23 wird beurteilt, ob die Menge des Systemverlustes mindestens die Menge des Verlustes, verursacht durch Ausströmen von Wasserstoff, ist, und in Schritt 24 wird beurteilt, ob die Wasserstoffkonzentration gleich oder geringer als ein bestimmter Schwellenwert bzw. Grenzwert ist. Wenn beide dieser Bedingungen erfüllt werden (Schritte 23 und 24: JA), wird das Ausströmungs-Sperrventil 38 angesteuert, um eine festgelegte Menge Wasserstoffabgas freizusetzen (Schritt 25). Wenn eine dieser Bedingungen nicht erfüllt ist (Schritt 23 oder 24: NEIN), kehrt der Prozess zurück, um die nächste Operation abzuwarten.
[5. Operation der Beurteilung der Verschlechterung des Elektrolyten]
Als nächstes wird die Operation der Beurteilung der Verschlechterung des Elektrolyten, durchgeführt durch den Steuerabschnitt 50 im Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform, mit Bezug auf das in 4 gezeigte Flussdiagramm beschrieben.
Zuerst wird eine Aufzeichnung der Stickstoffkonzentration, abgeschätzt im in 2 gezeigten Prozess, erhalten (Schritt 31). Als nächstes wird die Geschwindigkeit des Anstiegs der erhaltenen Stickstoffkonzentration berechnet (Schritt 32). Die Tatsache, dass die Stickstoffkonzentration rasch erhöht wird, bedeutet, dass der Nebenschluss bzw. der Cross-Verlust des Elektrolyten in der Brennstoffzelle ansteigt, und die Menge des Stickstoffgases, das aus der Luftelektrode durchdringt, ansteigt, was bedeutet, dass der Zustand des Elektrolyten verschlechtert wird. Im Schritt 33 wird beurteilt, ob die Geschwindigkeit des Anstiegs der Stickstoffkonzentration mindestens bei einem bestimmten Schwellenwert bzw. Grenzwert ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist (Schritt 33: JA), wird bestimmt, dass der Elektrolyt verschlechtert wird (Schritt 34), und die Verschlechterung des Elektrolyten wird einem Benutzer des Fahrzeugs und dergleichen bei Bedarf berichtet. Wenn dieser Zustand nicht erfüllt ist (Schritt 33: NEIN), kehrt der Prozess zurück, um die nächste Operation abzuwarten.
Durch Konfigurieren der vorliegenden Ausführungsform wie obenstehend beschrieben, kann die Verschlechterung des Elektrolyten bewertet werden, auch während eines Vorganges im Brennstoffzellensystem.
Zusammenfassung
Bereitgestellt wird ein Brennstoffzellensystem, das fähig ist, die Brennstoffkonzentration und/oder die Konzentration einer Gasverunreinigung mit einem einfachen Aufbau abzuschätzen. Das Brennstoffzellensystem hat einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg 75 für das Zuführen von Brennstoff zur Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel 20, und einen Ausströmungsweg 76 für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode im Brennstoffzellen-Stapel 20. Die Brennstoffkonzentration oder die Konzentration einer Gasverunreinigung im Anodenweg wird abgeleitet auf Basis des Druckverlusts im Anodenweg. Der Druckverlust kann gemessen werden mittels einer Druckunterschieds-Anzeige 58 oder eines Druckmessers, angeordnet in einem Leitungssystem, somit kann die Gaskonzentration mit einem einfachen Aufbau, ohne das Erfordern eines speziellen Messinstruments, abgeschätzt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel, und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Konzentration des Brennstoffes oder die Konzentration der Gasverunreinigung im Anodenweg abgeleitet ist auf Basis des Differentialdrucks zwischen zwei festgelegten Punkten im Anodenweg.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Differentialdruck ein Differentialdruck jenseits eines Kontrollventils im Anodenweg ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Differentialdruck ein Differentialdruck zwischen zwei Punkten auf beiden Seiten des Brennstoffzellen-Stapels ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Abgas aus dem Anodenweg gesteuert wird auf Grundlage der abgeleiteten Konzentration des Brennstoffes oder der Konzentration der Gasverunreinigung.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei eine Spülung des Anodenwegs durchgeführt wird, wenn die abgeleitete Konzentration des Brennstoffes erniedrigt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei eine Spülung des Anodenwegs durchgeführt wird, wenn die abgeleitete Konzentration der Gasverunreinigung erhöht ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Spülung des Anodenwegs durchgeführt wird durch Öffnen eines Sperrventils innerhalb des Anodenwegs.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Zustand eines Elektrolyten im Brennstoffzellen-Stapel bewertet wird auf Basis der abgeleiteten Konzentration des Brennstoffes oder der Konzentration der Gasverunreinigung.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Anodenweg enthält einen Zirkulationsweg für das Zirkulieren des Brennstoffes, der aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel ausgeströmt ist, zurück zur Anodenelektrode.
Brennstoffzellensystem, umfassend einen Anodenweg, zusammengesetzt aus einem Zuführungsweg für das Zuführen von Brennstoff zu einer Anodenelektrode in einem Brennstoffzellen-Stapel, und einem Ausströmungsweg für das Ausströmen des Brennstoffes aus der Anodenelektrode in den Brennstoffzellen-Stapel, wobei die Konzentration des Brennstoffes oder die Konzentration der Gasverunreinigung im Anodenweg abgeleitet ist auf Basis eines Druckverlustes im Anodenweg.