DE112013006226T5 - Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Um die Leistungserzeugungseffizienz (Leistungserzeugungsverhalten) eines Brennstoffzellensystems wiederherzustellen, weist ein Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren des Brennstoffzellensystems Folgendes auf: Stoppen einer Zufuhr eines Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle; und nachdem eine Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf einen vorbestimmten ersten Wert oder unter diesen verringert wird und wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten zweiten Wert oder unter diesen verringert wird, Neustarten der Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle und dadurch Neustarten einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle, um Wasser zu erzeugen und um dadurch eine Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere auf eine Technik zum Wiederherstellen einer Leistungserzeugungseffizienz (Leistungserzeugungsverhalten) in einem Brennstoffzellensystem.
  • Stand der Technik
  • Eine bekannte Gestaltung einer Brennstoffzelle weist eine Katalysatoraktivitätswiederherstellungseinrichtung auf, um einen großen elektrischen Strom zu der Brennstoffzelle zuzuführen und um die Menge an Wasser, die von einer Katalysatorschicht erzeugt wird, zu erhöhen, um gleich zu oder größer als eine vorbestimmte Menge zu sein, so dass die Katalysatoraktivität eines Elektrodenkatalysators in einer Elektrodenkatalysatorschicht wiederhergestellt wird (Patentdokument 1).
  • Zitierungsliste
  • Patentdokumente
    • [PTL 1] JP 2008-77911 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Diese Brennstoffzelle führt einen großen elektrischen Strom zur Wiederherstellung der Katalysatoraktivität zu und verbraucht demgemäß eine große Menge an Brennstoff. Es wurde herausgefunden, dass, wenn Verunreinigungen wie zum Beispiel Sulfat-Ionen (SO4 2–) und Hydrogensulfat-Ionen (HSO4 1–), die aus Verunreinigungen in der Luft erzeugt werden oder durch eine Verschlechterung eines Ionomers in der Katalysatorschicht erzeugt werden, an dem Elektrodenkatalysator anhaften, derartige Verunreinigungen nicht ausreichend nur durch das Wasser, das von der Katalysatorschicht abgegeben wird, beseitigbar (entfernbar) sind. In der nachstehenden Beschreibung werden die Sulfat-Ionen und die Hydrogensulfat-Ionen gemeinsam als "Sulfat-Ion oder dergleichen" bezeichnet.
  • Lösung des Problems
  • Um zumindest einen Teil des Vorstehenden zu erreichen, sieht die Erfindung verschiedene Gesichtspunkte vor, die nachstehend beschrieben sind.
    • (1) Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Dieses Brennstoffzellensystem weist Folgendes auf: eine Brennstoffzelle mit einem Katalysator; eine Brennstoffgaszufuhreinrichtung, die gestaltet ist, um ein Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle zuzuführen; eine Oxidationsmittelzufuhreinrichtung, die gestaltet ist, um ein Oxidationsmittelgas zu der Brennstoffzelle zuzuführen; und ein Steuerungsgerät, das gestaltet ist, um eine Zufuhr und einen Stopp (Blockieren) des Brennstoffgases, eine Zufuhr und einen Stopp (Blockieren) des Oxidationsmittelgases und eine Leistungserzeugung (Stromerzeugung) der Brennstoffzelle zu steuern, wobei das Steuerungsgerät die Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle stoppt und, nachdem eine Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf oder unter einen vorbestimmten ersten Wert verringert wird und auch eine Temperatur der Brennstoffzelle auf oder unter einen vorbestimmten zweiten Wert verringert wird, das Steuerungsgerät die Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle neu (wieder) startet und eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle neu startet, um Wasser zu erzeugen und dadurch eine Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen. In der Brennstoffzelle gemäß diesem Gesichtspunkt bewirkt eine Verringerung der Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf oder unterhalb des ersten Werts, dass Verunreinigungen von einem Katalysator freigegeben werden. Das Neustarten der Leistungserzeugung (Stromerzeugung) der Brennstoffzelle bei der Temperatur, die nicht höher ist als der zweite Wert, erzeugt eine große Menge an flüssigem Wasser. Die Verunreinigungen, die von dem Katalysator freigegeben werden, werden aus einem Brennstoffzellenstapel mittels der großen Menge an flüssigem Wasser abgegeben. Dadurch wird demgemäß die Leistungserzeugungseffizienz (das Leistungserzeugungsverhalten) des Brennstoffzellensystems wiederhergestellt.
    • (2) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt, wobei der erste Wert ein positiver Wert sein kann, der nicht höher als 0,6 V ist. In dem Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts ist die Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, höher als 0 V jedoch nicht höher als 0,6 V. Dadurch ist es wahrscheinlicher, dass die Verunreinigungen von dem Katalysator freigegeben werden.
    • (3) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt, wobei das Steuerungsgerät die Leistungserzeugung (Stromerzeugung) der Brennstoffzelle derart neu starten kann, dass eine Menge an Wasser, die durch eine Reaktion der Brennstoffzelle nach dem Neustart der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird, eine Menge ist, die zu einer relativen Feuchtigkeit korrespondiert, die nicht niedriger ist als 200% in einer Mitte eines Oxidationsmittelgasströmungswegs, in dem das Oxidationsmittelgas der Brennstoffzelle strömt, in einer Verteilung der Menge des erzeugten Wassers in der Brennstoffzelle. In dem Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts bildet das erzeugte Wasser, das zu der relativen Feuchtigkeit korrespondiert, die nicht niedriger ist als 200%, eine große Menge an flüssigem Wasser durch eine Taukondensation aus. Dadurch wird es ermöglicht, dass die Verunreinigungen mittels der großen Menge an flüssigem Wasser ausströmen.
    • (4) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt, wobei eine Zeit, wann die Spannung auf oder unterhalb des ersten Werts gehalten wird, 10 Minuten oder länger andauern kann. In dem Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts dauert die Zeit, wann die Spannung auf oder unterhalb des ersten Werts gehalten wird, 10 Minuten oder länger an. Dadurch verlängert sich die Zeit, in der die Verunreinigungen von dem Katalysator freigegeben werden, und dadurch wird die Leistungserzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems wirksamer wieder hergestellt.
    • (5) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt, wobei der zweite Wert ein Wert sein kann, der nicht niedriger ist als die Raumtemperatur und nicht höher ist als 40°C. Die relative Feuchtigkeit erhöht sich bei einer Verringerung der Temperatur. Das Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts steuert die relative Feuchtigkeit, so dass sie nicht niedriger als 200% ist, und dadurch wird die Taukondensation durch die Kombination einer Erhöhung der relativen Feuchtigkeit bei einer Verringerung der Temperatur und einer Erhöhung der Feuchtigkeit durch das erzeugte Wasser unterstützt.
    • (6) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt, wobei das Steuerungsgerät die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit einem elektrischen Strom mit einer Stromdichte neu startet, die nicht niedriger ist als 0,1 A/cm2 und nicht höher ist als 0,2 A/cm2. Das Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts startet die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit dem elektrischen Strom mit der Stromdichte neu, die nicht höher ist als 0,2 A/cm2. Dadurch verbessert sich der Brennstoffverbrauch.
    • (7) Das Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehenden Gesichtspunkt kann des Weiteren eine Gegendruckregeleinrichtung aufweisen, die gestaltet ist, um einen Gegendruck des Oxidationsmittelgases an einem Auslass der Brennstoffzelle zu regeln, wobei das Steuerungsgerät den Gegendruck steuert, so dass er nicht niedriger ist als 140 kPa (abs) und nicht höher ist als 200 kPa (abs), wenn die Leistungserzeugung neu gestartet wird. Das Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts steuert den Gegendruck, um nicht niedriger als 140 kPa (abs) zu sein, wenn die Leistungserzeugung neu gestartet wird. Dadurch wird demgemäß die relative Feuchtigkeit gesteuert, um nicht niedriger als 200% zu sein, und dadurch wird die Taukondensation unterstützt. Das Brennstoffzellensystem dieses Gesichtspunkts steuert ferner den Gegendruck, um nicht höher als 200 kPa (abs) zu sein, wenn die Leistungserzeugung neu gestartet wird. Die Oxidationsmittelgaszufuhreinrichtung ist somit nicht erforderlich, um einen hohen Druck des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle zuzuführen.
    • (8) Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung ist ein Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren (Leistungserzeugungsverhaltenwiederherstellungsverfahren) eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Dieses Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren eines Brennstoffzellensystems weist Folgendes auf: Stoppen (Blockieren, Unterbinden, Beenden, Anhalten) einer Zufuhr eines Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle; und nachdem eine Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf oder unter einen vorbestimmten ersten Wert verringert wird und auch eine Temperatur der Brennstoffzelle auf oder unter einen vorbestimmten zweiten Wert verringert wird, Neustarten (Wiederstarten) der Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle und Neustarten (Wiederstarten) einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle, um Wasser zu erzeugen und um dadurch eine Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen. In dem Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren dieses Gesichtspunkts bewirkt das Verringern der Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf oder unterhalb des ersten Werts, dass Verunreinigungen von einem Katalysator freigegeben werden. Das Neustarten der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle bei der Temperatur, die nicht höher ist als der zweite Wert, erzeugt eine große Menge an flüssigem Wasser. Dadurch wird bewirkt, dass die Verunreinigungen mittels der großen Menge an flüssigem Wasser ausströmen, und dadurch wird die Leistungserzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems wiederhergestellt.
  • Die Erfindung kann durch eine Vielzahl von Gesichtspunkten ausgeführt werden, die sich von dem Brennstoffzellensystem unterscheiden, zum Beispiel bei einem Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren in dem Brennstoffzellensystem und einem Verfahren zum Freigeben einer Verunreinigung von einem Katalysator in einer Brennstoffzelle.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaubild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.
  • 2 ist ein Schaubild, das die Struktur der Leistungserzeugungseinheit (Stromerzeugungseinheit) schematisch darstellt.
  • 3 ist ein Schaubild, das einen Ablauf (Zyklus) eines Spannungswiederherstellungssimulationstests des Brennstoffzellensystems darstellt.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse einer IV-Charakteristikevaluierung zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stoppzeit und der Zellenspannung in dem Stoppbedingungssimulationsprozess zeigt.
  • 6 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Stoppbedingungssimulationszeit und dem Spannungswiederherstellungsausmaß (Spannungswiederherstellungsbetrag) darstellt.
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Variation der Zellenspannung in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess zeigt.
  • 8 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Potential der Oxidationsmittelelektrode und dem Adsorptionsausmaß (Adsorptionsmenge) des Sulfat-Ions oder dergleichen an der Pt-Elektrode zeigt.
  • 9 zeigt Schaubilder, die schematisch einen Abgabemechanismus des Sulfat-Ions oder dergleichen gemäß diesem Beispiel darstellt.
  • 10 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stromdichte in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess und dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung der Leistungserzeugungseinheit der Brennstoffzelle 10 zeigt.
  • 11 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck der Oxidationsmittelelektrode und dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess zeigt.
  • 12 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck des Oxidationsmittels und dem Bereich, der mit flüssigem Wasser gefüllt ist, darstellt.
  • 13 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Temperatur (Zellentemperatur) der Leistungserzeugungseinheit der Brennstoffzelle und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt.
  • 14 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Stromdichte und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt.
  • 15 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsmittelgases und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt.
  • 16 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck des Oxidationsmittelgases und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt.
  • 17 ist ein Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit.
  • 18 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Zeit, wann das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unterhalb 0,6 V gehalten wird, und dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung gemäß einem achten Beispiel darstellt.
  • 19 ist ein Schaubild, das eine Gestaltung zum Aufrechterhalten des Potentials der Oxidationsmittelelektrode auf oder unterhalb von 0,6 V für eine lange Zeit darstellt.
  • 20 ist ein Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit, die in dem achten Beispiel anwendbar ist.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • 1 ist ein Schaubild, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Ein Brennstoffzellensystem 20 weist eine Brennstoffzelle 10, einen Brennstofftank 300, eine Luftpumpe 400, eine Kühlwasserpumpe 500, eine Last 600 und ein Steuerungsgerät 700 auf. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 100, Stromabnehmer 200 und 201, Isolierungsplatten 210 und 211, Endplatten 230 und 231, Zugstäbe 240 und Muttern 250 auf.
  • Der Brennstoffzellenstapel 100 weist eine Vielzahl von Leistungserzeugungseinheiten (Stromerzeugungseinheiten) 110 auf. Jede der Leistungserzeugungseinheiten 110 ist eine Einheitszelle. Die Leistungserzeugungseinheiten 110 sind in Reihe gestapelt und miteinander verbunden, um den Brennstoffzellenstapel 100 auszubilden und um eine hohe Spannung zu erzeugen. Die Stromabnehmer 200 und 201 sind an den jeweiligen Seiten des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet und werden verwendet, um die Spannung und den elektrischen Strom, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt wird, von dem Brennstoffzellenstapel 100 abzunehmen (zu entnehmen). Die Spannung und der elektrische Strom, die durch den Brennstoffzellenstapel 100 erzeugt werden, werden zu der Last 600 zugeführt. Die Last 600 umfasst eine Hilfsanlage wie zum Beispiel einen Motor und eine Klimaanlage eines Brennstoffzellenfahrzeugs auf. Die Isolierungsplatten 210 und 211 sind weiter außerhalb der jeweiligen Stromabnehmer 200 und 201 angeordnet, um die Stromabnehmer 200 und 201 von anderen Bauteilen, zum Beispiel den Endplatten 230 und 231 oder den Zugstäben 240 zu isolieren, und um das Fließen des elektrischen Stroms zwischen ihnen zu verhindern. Die Endplatten 230 und 231 sind weiter außerhalb der jeweiligen Isolierungsplatten 210 und 211 angeordnet. Die Endplatte 231 ist angeordnet, um von der Endplatte 230 um eine vorbestimmte Distanz mittels der Zugstäbe 240 und der Muttern 250 entfernt zu sein.
  • Der Brennstofftank 300 ist mit der Brennstoffzelle 10 durch einen Brennstoffgaszufuhrkanal 310 verbunden. Der Brennstoffgaszufuhrkanal 310 ist mit einem Ventil 320 ausgestattet, das gestaltet ist, um die Strömungsrate eines Brennstoffgases zu regeln. Eine Brennstoffgasauslassleitung 330 ist mit einer stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 10 verbunden und ist mit einem Brennstoffgasauslassventil 340 und einem Druckmessgerät 350 ausgestattet. Das Brennstoffgasauslassventil 340 dient zum Regeln des Gegendrucks eines Brennstoffauslassgases (Brennstoffabgases). Die Brennstoffgasauslassleitung 330 ist mit der Brennstoffgaszufuhrleitung 310 durch eine Brennstoffgaswiederherstellungsleitung 360 verbunden. Die Brennstoffgaswiederherstellungsleitung 360 ist mit einer Pumpe 370 ausgestattet, die zum Fördern des Brennstoffauslassgases zu der Brennstoffgaszufuhrleitung 310 vorgesehen ist. Das verwendete Brennstoffgas kann zum Beispiel Wasserstoffgas sein.
  • Die Luftpumpe 400 ist mit der Brennstoffzelle 10 durch einen Oxidationsmittelgaszufuhrkanal 410 verbunden. Der Oxidationsmittelzufuhrkanal 410 ist mit einem Ventil 420 ausgestattet, das gestaltet ist, um die Strömungsrate eines Oxidationsmittelgases zu regeln. Eine Oxidationsmittelgasauslassleitung 430 ist mit einer stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle 10 verbunden und ist mit einem Oxidationsmittelgasauslassventil 440 und einem Druckmessgerät 450 ausgestattet. Das Oxidationsmittelgasauslassventil 440 dient zum Regeln des Gegendrucks eines Oxidationsmittelauslassgases (Oxidationsmittelabgases). Das verwendete Oxidationsmittelgas kann zum Beispiel die Luft sein.
  • Die Kühlwasserpumpe 500 ist mit der Brennstoffzelle 10 durch eine Kühlwasserleitung 510 verbunden. Die Kühlwasserleitung 510 ist mit einem Kühler 520 und einem Thermometer 530 ausgestattet. Der Kühler 520 dient zum Abkühlen des Kühlwassers, das von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird. Das Thermometer 530 dient zum Messen der Temperatur des Kühlwassers, das von der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird.
  • Das Steuerungsgerät 700 steuert ein Öffnen und Schließen der Ventile 320 und 420, des Brennstoffgasauslassventils 340 und des Oxidationsmittelgasauslassventils 440 und deren Öffnungspositionen auf der Grundlage des Ausmaßes einer Leistungserzeugung (Stromerzeugung) durch die Brennstoffzelle 10, des Ausmaßes eines Leistungsverbrauchs (Stromverbrauchs) durch die Last 600 und der Temperatur und dem Gegendruck der Brennstoffzelle 10, um dadurch die Betriebe der Brennstoffzelle 10 zu steuern.
  • 2 ist ein Schaubild, das die Struktur der Leistungserzeugungseinheit (Stromerzeugungseinheit) 110 schematisch darstellt. Die Leistungserzeugungseinheit 110 weist eine Membranelektrodenbaugruppe 120, Gasdiffusionsschichten 132 und 133, poröse Gasströmungswege 142 und 143, Separatorplatten 152 und 153 und eine Dichtung 160 auf. Die Membranelektrodenbaugruppe 120 weist eine Elektrolytmembran 121 und Katalysatorschichten 122 und 123 auf. Die Katalysatorschicht 122 dient als eine Brennstoffelektrode, und die Katalysatorschicht 123 dient als eine Oxidationsmittelelektrode. Demgemäß wird die Katalysatorschicht 122 auch als eine Anodenkatalysatorschicht 122 oder Brennstoffelektrode 122 bezeichnet und wird die Katalysatorschicht 123 auch als eine Kathodenkatalysatorschicht 123 oder Oxidationsmittelelektrode 123 bezeichnet.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Leistungserzeugungseinheit 110 als eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle vorgesehen. Zum Beispiel kann eine protonleitfähige Ionenaustauschmembran, die aus einem Fluorharz, wie zum Beispiel Perfluorkohlenwasserstoff-Schwefelsäure-Polymer oder Kohlenwasserstoffharz hergestellt ist, zum Beispiel für die Elektrolytmembran 121 verwendet werden. Die Katalysatorschichten 122 und 123 sind an den jeweiligen Flächen der Elektrolytmembran 121 ausgebildet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Katalysatorschichten 122 und 123 katalysatorgestützte Partikel (zum Beispiel Kohlenstoffpartikel) mit zum Beispiel einem Platinkatalysator oder einem Platinlegierungskatalysator aus Platin und einem weiteren Metall, das darauf gestützt ist, und einem Elektrolyt (Ionomer). Dieses Ausführungsbeispiel verwendet Nafion (eingetragene Marke), das von DuPont hergestellt wird, als eine Perfluorkohlenwasserstoff-Schwefelsäure-Polymer und das Ionomer.
  • Die Gasdiffusionsschichten 132 und 133 sind jeweils an den Außenflächen der Katalysatorschichten 122 und 123 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann Kohlenstoffgewebe aus nichtgewebten Kohlenstoffstoff oder Kohlenstoffpapier für die Gasdiffusionsschichten 132 und 133 verwendet werden. Die porösen Gasströmungswege 142 und 143 sind jeweils an den Außenflächen der Gasdiffusionsschichten 132 und 133 angeordnet. Die Separatorplatten 152 und 153 sind jeweils an den Außenflächen der porösen Gasströmungswege 142 und 143 angeordnet. Ein Kühlwasserströmungsweg 155 ist zwischen der Separatorplatte 152 von einer Leistungserzeugungseinheit 110 und der Separatorplatte 153 einer benachbarten Leistungserzeugungseinheit 110 ausgebildet. Die Dichtung 160 ist ausgebildet, um den Außenumfang der Membranelektrolytbaugruppe 120, die Gasdiffusionsschichten 132 und 133 und die porösen Gasströmungswege 142 und 143 zu umgeben. Die Dichtung 160 ist einstückig mit der Membranelektrolytbaugruppe 120 durch zum Beispiel Einspritzformen ausgeformt. Folglich sind die Gasdiffusionsschichten 132 und 133 und die porösen Gasströmungswege 142 und 143 hintereinander an den jeweiligen Flächen der Membranelektrolytbaugruppe 120 angeordnet.
  • Wie vorstehend mit Bezug auf 1 beschrieben ist, verwendet das Brennstoffzellensystem 20 des Ausführungsbeispiels die Luft als das Oxidationsmittelgas und das Perfluorkohlenwasserstoff-Schwefelsäure-Polymer als den Elektrolyt und als das Ionomer. In diesem Brennstoffzellensystem ist es bekannt, dass sich der Elektrolyt chemisch verschlechtert, um Sulfat-Ionen oder Hydrogensulfat-Ionen (nachstehend als ein Sulfat-Ion oder dergleichen bezeichnet) beim Voranschreiten der Leistungserzeugung zu erzeugen. Es ist auch bekannt, dass das Sulfat-Ion oder dergleichen stark an der Fläche des Katalysators adsorbiert, insbesondere in die Oxidationsmittelelektrode (Kathodenelektrode), um die Elektrodenreaktion einer Gleichung (1), die nachstehend beschrieben ist, störend zu beeinflussen und die Leistungserzeugungseffizienz (Leistungserzeugungsverhalten) der Brennstoffzelle 10 zu verschlechtern. O2 + 4H+ + 4e– -> 2H2O (1)
  • Erstes Beispiel:
  • 3 ist ein Schaubild, das einen Ablauf eines Spannungs- oder Herstellungssimulationstests des Brennstoffzellensystems darstellt. Ein Ablauf des Spannungs- oder Herstellungssimulationstests weist einen Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess (Prozess zur Erzeugung einer Potentialschwankungsdauer), einen IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1), einen Stoppsimulationsevaluierungsprozess, einen Stoppbedingungssimulationsevaluierungsprozess, einen Neustartsimulationsevaluierungsprozess und einen IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) auf. Dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) folgt ein Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess (Prozess zur Erzeugung einer Potentialschwankungsdauer) eines nächsten Ablaufs (Zyklus).
  • In dem Spannungswiederherstellungssimulationstest führt das Steuerungsgerät 700 zunächst den Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess aus. In diesem Prozess führt das Steuerungsgerät 700 Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode 122 der Brennstoffzelle 10 zu und führt die Luft zu der Oxidationsmittelelektrode 123 zu. In diesem Zustand legt das Steuerungsgerät 700 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit 70°C fest und führt abwechselnd eine Leistungserzeugung eines ersten Ablaufs (Zyklus) mit einer festgelegten Spannung der Oxidationsmittel 123 relativ zu der Brennstoffelektrode 122 (nachstehend als eine "Zellenspannung" bezeichnet) von 0,9 V in der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 und eine Leistungserzeugung eines zweiten Ablaufs (Zyklus) mit der festgelegten Zellenspannung von 0,6 V aus. Eine derartige sich abwechselnde Spannungsschwankung zwischen zwei Spannungen wird als eine Rechteckschwingungspotentialschwankung bezeichnet.
  • In dem nachfolgenden IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) legt das Steuerungsgerät 700 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit 65°C fest und misst die Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 relativ zu der Brennstoffelektrode 122 der Leistungserzeugungseinheit 110 durch Entnehmen (Abnehmen) einer vorbestimmten elektrischen Strommenge von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10. Das Steuerungsgerät 700 verringert allmählich den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, von 2,4 A/cm2 in Richtung 0 A/cm2.
  • In dem nachfolgenden Stoppsimulationsevaluierungsprozess verringert das Steuerungsgerät 700 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 von 65°C auf 35°C innerhalb von 10 Minuten, während die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 mit dem elektrischen Strom von 0,05 A/cm2 fortgesetzt wird.
  • In dem Stoppbedingungssimulationsprozess stoppt das Steuerungsgerät 700 die Zufuhr der Luft bei 35°C als die Temperatur der Brennstoffzelle 10 und stoppt die Zufuhr des Wasserstoffs nach dem Stopp der Zufuhr der Luft. Das Steuerungsgerät 700 stoppt die Zufuhr des Wasserstoffs nach dem Stopp der Zufuhr der Luft gemäß diesem Beispiel, jedoch kann sie alternativ nicht gestoppt werden, sondern es kann die Zufuhr des Wasserstoffs selbst nach dem Stopp der Zufuhr der Luft fortsetzt werden. Das Steuerungsgerät 700 hält dann die Temperatur der Brennstoffzelle 10 bei 35°C.
  • In dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess führt das Steuerungsgerät 700 Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode 122 der Brennstoffzelle 10 zu und führt die trockene Luft zu der Oxidationsmittelelektrode 123 zum Neustarten der Leistungserzeugung zu. Das Steuerungsgerät 700 legt den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, mit 0,2 A/cm2 fest und erhöht die Temperatur der Brennstoffzelle 10 von 35°C auf 60°C innerhalb von 5 Minuten.
  • In dem nachfolgenden IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) legt ähnlich wie in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) das Steuerungsgerät 700 die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit 65°C fest und misst die Spannung der Brennstoffzelle 10 durch Entnehmen (Abnehmen) einer vorbestimmten elektrischen Strommenge von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10. Ähnlich wie in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) verringert das Steuerungsgerät 700 allmählich den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, von 2,4 A/cm2 in Richtung 0 A/cm2.
  • 4 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse in der IV-Charakteristikevaluierung zeigt. Das Diagramm hat den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, als Abszisse und die Zellenspannung der Brennstoffzelle 10 als Ordinate. Da Wasserstoff zu der Brennstoffelektrode zugeführt wird, ist die Zellenspannung gleich wie das Oxidationsmittelelektrodenpotential vs. RHE. RHE (reversible Wasserstoffelektrode) bezeichnet eine Wasserstoffelektrode, die eine elektrolytische Lösung mit dem selben pH-Wert wie der pH-Wert in der Lösung verwendet, in der eine zu messende Sollelektrode angeordnet ist. Im Allgemeinen variiert das Potential der Wasserstoffelektrode mit einer Änderung der Aktivität der Wasserstoffionen aH+ (das heißt, pH) der elektrolytischen Lösung. Demgemäß ist das Elektrodenpotential einer reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) nicht gleich wie das Elektrodenpotential einer Standardwasserstoffelektrode (SHE). Die reversible Wasserstoffelektrode ermöglicht jedoch die Verwendung derselben Elektrode wie die, die für eine Sollkatalysatorschicht verwendet wird, die zu messen ist, und somit ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Lösungen zu berücksichtigen. Das Zellenpotential bezeichnet ein Potential der Oxidationsmittelelektrode 123 relativ zu der Brennstoffelektrode 122. Die Anwendung einer reversiblen Wasserstoffelektrode für die Brennstoffelektrode 122 der Brennstoffzelle ist somit für die Experimente empfehlenswert.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, verringert das Steuerungsgerät 100 allmählich den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, von 2,4 A/cm2 in Richtung 0 A/cm2. Wie aus dem Vergleich zwischen dem Graph des IV-Charakteristikevaluierungsprozesses (1) und dem Graph des IV-Charakteristikevaluierungsprozesses (2) klar erkannt werden kann, ist die Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) um 5 bis 20 mV höher als die Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1). Die höhere Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) im Vergleich zu der Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) zeigt eine Wiederherstellung der Zellenspannung an. Insbesondere wird die Differenz zwischen der Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) und die Zellenspannung in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) nicht einfach durch Verringern des Potentials der Oxidationsmittelelektrode 123 auf ein niedriges Potential wiederhergestellt, sondern wird durch den Stoppsimulationsevaluierungsprozess, den Stoppbedingungssimulationsprozess und den Neustartsimulationsevaluierungsprozess wiederhergestellt. Das Verringern des Potentials der Oxidationsmittelelektrode 123 auf oder unter 0,3 V vs. RHE entfernt einen Oxidfilm(-schicht) der Oxidationsmittelelektrode 123. In beiden IV-Charakteristikevaluierungsprozessen (1) und (2) verringert sich, wenn die elektrische Strommenge, die von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, nicht niedriger ist als 2,2 A/cm2, die Zellenspannung auf oder unter 0,3 V und es ist wahrscheinlich, dass der Oxidfilm der Oxidationsmittelelektrode 123 entfernt wird. Ein reversibler (wiederherstellbarer) Spannungsabfall in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) kann somit auf einen Grund zurückgeführt werden, der sich von dem Oxidationsfilm der Oxidationsmittelelektrode 123 unterscheidet.
  • 5 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stoppzeit und der Zellenspannung in dem Stoppbedingungssimulationsprozess zeigt. Das Diagramm hat die Stoppzeit als Abszisse und die Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 111 als Ordinate. In dem Stoppbedingungssimulationsprozess verringert sich die Zellenspannung bei einem Verbrauch des Wasserstoffs in der Luft durch eine Leckage des Wasserstoffs. Eine abrupte Erhöhung des Graphs unmittelbar nach einer Zufuhr des Oxidationsmittelgases (der Luft) ist auf eine Erhöhung der Zellenspannung auf OCV (Leerlaufspannung) durch Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittelgases zurückzuführen. Zu der Stoppzeit von 1 Minute liegt der Sauerstoff immer noch vor und verringert sich die Zellenspannung nur auf ungefähr 0,8 V. Bei einem anschließenden Verbrauch von Sauerstoff verringert sich die Zellenspannung innerhalb 3 bis 4 Minuten. Nach einem Verstreichen der Stoppzeit von 5 Minuten erhöht sich die Zellenspannung geringfügig. Diese Erhöhung kann darauf zurückführbar sein, dass Sauerstoff, der zum Beispiel in der Leitung außerhalb der Oxidationsmittel der Elektrode 123 verbleibt, zu der Oxidationsmittelelektrode 123 bewegt worden ist.
  • 6 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Stoppbedingungssimulationszeit und dem Spannungswiederherstellungsausmaß (Spannungswiederherstellungsbetrag) darstellt. Gemäß diesem Beispiel wird ein Spannungswiederherstellungsausmaß V3 durch eine Gleichung (2) berechnet, die nachstehend gezeigt ist. V1 stellt eine erzeugte Spannung bei dem elektrischen Strom von 2,0 A/cm2 dar, der in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1) abgegeben wird. Diese erzeugte Spannung ist ein Wert nach einer IR-Korrektur. Eine IR-Korrektur bezeichnet hier eine Korrektur, um den Einfluss eines Innenwiderstands der Leistungserzeugungseinheit 110 zu beseitigen. V2 stellt eine erzeugte Spannung bei dem elektrischen Strom von 2,0 A/cm2 dar, der in dem IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) abgegeben wird. V3 = V2 – V1 (2)
  • Wie aus 6 klar erkannt werden kann, ist das Wiederherstellungsausmaß der Zellenspannung nicht so groß und ist 7,5 mV im Durchschnitt zu der Stoppzeit von 1 Minute in dem Stoppbedingungssimulationsprozess. Zu der Stoppzeit von 10 Minuten in dem Stoppbedingungssimulationsprozess wurde das Wiederherstellungsausmaß der Zellenspannung um ungefähr 10 mV von dem Wert zu der Stoppzeit von 1 Minute erhöht und beträgt im Durchschnitt 17,5 mV. Wenn die Stoppzeit auf 60 Minuten oder auf 180 Minuten verlängert wird, wird das Wiederherstellungsausmaß der Zellenspannung auf ungefähr 25 mA oder auf ungefähr 30 mA erhöht. Das Wiederherstellungsausmaß der Zellenspannung erhöht sich mit einer Erhöhung der Stoppzeit. Durch zusätzliche Berücksichtigung der Ergebnisse von 5 erhöht sich das Wiederherstellungsausmaß der Zellenspannung bei einer Erhöhung der Zeitdauer, wann die Zellenspannung auf oder unter 0,2 V gehalten wird.
  • 7 ist ein Diagramm, das eine Variation der Zellenspannung in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess zeigt. Das Diagramm hat die verstrichene Zeit in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess als Abszisse und die Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 110 als Ordinate. In dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess legt das Steuerungsgerät 700 das stöchiometrische Verhältnis der Oxidationsmittelelektrode 123 auf 1,5 fest, legt den Gegendruck der Oxidationsmittelelektrode 123 auf 140 kPa (abs) fest, legt den Einlassdruck der Oxidationsmittelelektrode 123 auf 150 kPa (abs) (Gegendruck + 10 kPa (abs)) fest, und legt den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, auf 0,2 A/cm2 fest. Das stöchiometrische Verhältnis bezeichnet hier einen Wert, der durch Dividieren eines tatsächlichen Zufuhrausmaßes eines reaktiven Gases (Reaktionsgases, Brennstoffgases oder Oxidationsmittelgases) durch ein theoretisches Ausmaß des reaktiven Gases erhalten wird, das zur Leistungserzeugung erforderlich ist. Die Zellenspannung beträgt ungefähr 0,8 V unmittelbar nach dem Beginn des Neustartsimulationsevaluierungsprozess, wird geringfügig bei einem Verstreichen der Zeit verringert und ist auf ungefähr 0,78 V nach dem Verstreichen von 350 Sekunden verringert. Die Zellenspannung verringert sich jedoch nicht signifikant von 0,8 V.
  • 6 und 7 stellen die nachstehenden Ergebnisse bereit. Das Ergebnis zu der Stoppzeit von 1 Minute in dem Stoppbedingungssimulationsprozess wird erhalten, wenn das Steuerungsgerät 700 die Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf 0,8 V (Spannung zu der Stoppzeit von 1 Minute in 5) festlegt und anschließend die Zellenspannung auf ungefähr 0,8 V festlegt und der elektrische Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, auf 0,2 A/cm2 festlegt, um eine Leistungserzeugung mit einer großen Menge an erzeugten Wasser (Wasserströmung) auszuführen. Das Ergebnis zu der Stoppzeit von 10 Minuten in dem Stoppbedingungssimulationsprozess wird andererseits erhalten, wenn das Steuerungsgerät 700 die Spannung der Oxidationselektrode 123 auf 0,1 V (Spannung zu der Stoppzeit von 10 Minuten in 4) festlegt und anschließend die Zellenspannung auf ungefähr 0,8 V festlegt und den elektrischen Strom, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, auf 0,2 A/cm2 festlegt, um eine Leistungserzeugung mit einer großen Menge an erzeugtem Wasser (Wasserströmung) auszuführen. Unter Berücksichtigung dieser zwei Ergebnisse wird die Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 110 nicht ausreichend nur durch Festlegen der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine hohe Spannung (0,8 V) und durch Ausführen einer Leistungserzeugung mit einer großen Menge einer Wasserströmung wiederhergestellt. Der Prozess zum Verringern der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine niedrige Spannung unmittelbar vor dem Festlegen der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine hohe Spannung (0,8 V) und zum Ausführen der Leistungserzeugung mit einer großen Menge an Wasser ermöglicht jedoch, dass die Zellenspannung in der IV-Charakteristik der Leistungserzeugungseinheit 110 schnell wiederhergestellt wird.
  • Es ist bekannt, dass in dem Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess, der den gewöhnlichen Betrieb der Brennstoffzelle simuliert, ein Perfluorkohlenwasserstoff-Schwefelsäure-Polymer (zum Beispiel Nafion (eingetragene Marke)) für die Elektrolytmembran 121 verwendet wird oder ein auf Nafion basierendes Ionomer für den Elektrolyt der Brennstoffelektrode 122 verwendet wird und die Oxidationsmittelelektrode 123 chemisch verschlechtert wird, um ein Sulfat-Ion oder ein Hydrogensulfat-Ion (Sulfat-Ion oder dergleichen) zu erzeugen. Es ist ferner bekannt, dass das Sulfat-Ion oder dergleichen an Platin (Pt), das für die Oxidationsmittelelektrode 123 verwendet wird, adsorbiert und dieses vergiftet und sich somit die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle verschlechtert. Die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung nimmt an, dass die Verschlechterung der Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle nach dem Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess auf eine Adsorption des Sulfat-Ions oder dergleichen an Pt zurückzuführen ist und sich daraus eine Vergiftung von Pt durch das Sulfat-Ion oder dergleichen ergibt. Nach dem Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess führt die Anmelderin der vorliegenden Erfindung einen Wasserstoff-/Stickstoffspülbetrieb aus, der die Zellentemperatur der Brennstoffzelle 10 auf 70°C festlegt, wird Wasserstoffgas mit der Taupunkttemperatur von 70°C zu der Brennstoffelektrode 122 mit 1 NL/min zugeführt und wird Stickstoffgas mit der Taupunkttemperatur von 70°C zu der Oxidationsmittelelektrode 123 mit 2 NL/min zugeführt. Als Ergebnis wird das Sulfat-Ion oder dergleichen in dem Drainagewasser (Abwasser), das von der Oxidationsmittelelektrode 123 abgegeben wird, erfasst bzw. detektiert. Dadurch wird die Wiederherstellung der Zellenspannung in der IV-Charakteristik nach dem Wasserstoff-/Stickstoffspülbetrieb bestätigt.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, verursacht der Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess eine Verschlechterung des Perfluorkohlenwasserstoff-Schwefelsäure-Polymers (zum Beispiel Nafion (eingetragene Marke)) oder des auf Nafion basierenden Ionomers, um das Sulfat-Ion oder dergleichen zu erzeugen. Es wird bestätigt, dass das erzeugte Sulfat-Ion oder dergleichen an Pt der Oxidationsmittelelektrode 123 adsorbiert wird und es vergiftet, um die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu verschlechtern.
  • 8 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Potential zwischen der Oxidationsmittelelektrode und der Adsorptionsmenge des Sulfat-Ions oder dergleichen an der Pt-Elektrode zeigt. Dieses Diagramm wird durch Ändern der Skala der Abszisse von 6 in A. Kolics und A. Wieckowski, J. Phy. Chem. B 2001, 105, 2588–2595 von der Silber/Silberchloridelektrodenbasis zu der reversiblen Wasserstoffelektrodenbasis (vs. RHE) erhalten. Wie vorstehend beschieben ist, ist der Spannungswert der reversiblen Wasserstoffelektrodenbasis gleich zu der Zellenspannung, die der Spannungswert der Oxidationsmittelelektrode relativ zu der Brennstoffelektrode 122 ist. Demgemäß kann die Abszisse als Zellenspannung dienen. Wie aus dem Diagramm klar erkenntlich ist, wird die Adsorptionsmenge des Sulfat-Ions oder dergleichen an Pt bei der Zellenspannung verringert, die nicht niedriger als 0,0 V und nicht höher als 0,7 V ist. Mit anderen Worten ermöglicht ein Steuern der Zellenspannung, um nicht höher als 0,7 V zu sein, dass das Sulfat-Ion oder dergleichen von der Pt Elektrode freigegeben wird. Die Zellenspannung ist bevorzugt nicht höher als 0,6 V und ist noch bevorzugter nicht höher als 0,3 V.
  • Der Prozess zum Verringern der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine niedrige Spannung verursacht, dass das Sulfat-Ion oder dergleichen von der Pt-Elektrode freigegeben wird. Die Leistungserzeugung mit einer großen Wasserströmung wird anschließend bei der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 ausgeführt, die auf eine hohe Spannung (0,8 V) erhöht wird, so dass eine große Menge an flüssigem Wasser erzeugt wird. Das Sulfat-Ion oder dergleichen, das von der Pt Elektrode freigegeben wird, wird von der Oxidationsmittelelektrode 123 mittels der großen Menge an flüssigem Wasser abgegeben. Dadurch wird die Wiederherstellung der Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 ermöglicht.
  • 9 sind Schaubilder, die schematisch einen Abgabemechanismus des Sulfat-Ions oder der gleichen gemäß diesem Beispiel darstellen. Wenn das Steuerungsgerät 700 den Erzeugungspotentialschwankungsdauerprozess ausführt, wird das Sulfat-Ion oder dergleichen an Pt adsorbiert und vergiftet dieses, wie in einem Prozess (a) gezeigt ist, um die Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 (1) zu verringern. In einem nachfolgenden Prozess (b) stoppt das Steuerungsgerät 700 eine Zufuhr des Oxidationsmittels (der Luft) zu der Oxidationsmittelelektrode 123. Nach einem Verstreichen von zwei oder mehr Minuten seit dem Stopp der Zufuhr des Oxidationsmittels wird die Zellenspannung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 auf oder unter 0,6 V verringert, wie in 5 gezeigt ist. Die Zellenspannung, die auf oder unter 0,6 V verringert ist, startet eine Freigabe des Sulfat-Ions oder dergleichen von Pt wie in 8 gezeigt ist. In einem Prozess (c) startet das Steuerungsgerät 700 die Zufuhr des Oxidationsmittels (der Luft) zu der Oxidationsmittelelektrode 123 neu und führt eine Leistungserzeugung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 mit dem elektrischen Strom von 0,2 A/cm2 aus, um eine große Menge an flüssigem Wasser zu erzeugen. Das Steuerungsgerät 700 gibt das freie Sulfat-Ion oder dergleichen mittels der großen Menge an flüssigem Wasser ab.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, wendet gemäß diesem Beispiel das Steuerungsgerät 700 den Prozess zum Verringern des Potentials der Oxidationsmittelelektrode 123 auf oder unter 0,6 V durch Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittels (der Luft) zu der Oxidationsmittelelektrode 123 an. Das Steuerungsgerät 700 führt anschließend eine Leistungserzeugung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 mit dem elektrischen Strom von 0,2 A/cm2 aus, um eine große Menge an flüssigem Wasser zu erzeugen. Das Steuerungsgerät 700 ermöglicht, dass das freie Sulfat-Ion oder dergleichen mittels der großen Menge an flüssigem Wasser abgegeben wird.
  • Zweites Beispiel:
  • 10 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen der Stromdichte in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess und dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 zeigt. Das zweite Beispiel macht einen Vergleich zwischen dem Wiederherstellungsausmaßen der Spannung mit der Stromdichte, die auf 0,2 A/cm2 festgelegt ist, und mit der Stromdichte, die auf 0,05 A/cm2 festgelegt ist, in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Die Parameter, die sich von der Stromdichte unterscheiden, die zur Leistungserzeugung des Neustartsimulationsevaluierungsprozesses verwendet wird, sind gleich wie jene in dem ersten Beispiel. Die Wiederherstellungsmenge der Spannung beträgt ungefähr 0,05 mV im Durchschnitt mit der Stromdichte von 0,05 A/cm2 und beträgt ungefähr 17,5 mV im Durchschnitt mit der Stromdichte von 0,2 A/cm2. Die Menge an erzeugtem Wasser in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess ist proportional zu der Stärke (Magnitude) der Stromdichte. Eine Erhöhung der Stromdichte in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess erhöht das Ausmaß (Betrag) der Leistungserzeugung und erhöht die Wasserströmung. Als Ergebnis wird dadurch die Abgaberate des Sulfat-Ions oder dergleichen aus dem System erhöht und verringert sich das Adsorptionsausmaß (Adsorptionsmenge) des Sulfat-Ions oder dergleichen an der Oxidationsmittelelektrode 123, somit ist es wahrscheinlicher, dass die Spannung der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 wiederhergestellt wird.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, ermöglicht gemäß dem zweiten Beispiel das Steuerungsgerät 700 die Wiederherstellung der Spannung durch Entnehmen (Abgeben) des elektrischen Stroms mit der Stromdichte von 0,05 A/cm2 bis 0,2 A/cm2. Ein Erhöhen der Stromdichte in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess macht es wahrscheinlicher, dass die Spannung wiederhergestellt wird. Die außerordentlich hohe Stromdichte verursacht jedoch einen schlechten Brennstoffverbrauch. Unter Berücksichtigung des Brennstoffverbrauchs ist es bevorzugt, dass das Steuerungsgerät 700 den elektrischen Strom mit der Stromdichte von 0,1 A/cm2 bis 0,2 A/cm2 entnimmt (abgibt).
  • Drittes Ausführungsbeispiel:
  • 11 ist ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck der Oxidationsmittelelektrode und dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess zeigt. Das dritte Beispiel macht einen Vergleich zwischen dem Wiederherstellungsausmaß der Spannung bei dem Gegendruck der Luft (Oxidationsmittelgas), der auf 140 kPa (abs) festgelegt ist, und dem Druck, der auf 200 kPa (abs) festgelegt ist, in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. In dem dritten Beispiel wird der Einlassdruck der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 auf den Gegendruck + 10 kPa (abs) festgelegt. Die Parameter, die sich von dem Gegendruck und dem Einlassdruck unterscheiden, die zur Leistungserzeugung des Neustartsimulationsevaluierungsprozesses bei der Zufuhr des Oxidationsmittelgases in dem dritten Beispiel verwendet werden, sind gleich wie jene in dem ersten Beispiel. Das Wiederherstellungsausmaß der Spannung beträgt 17,5 mV im Durchschnitt bei dem Gegendruck von 140 kPa (abs) und beträgt 22,0 mV im Durchschnitt bei einem Gegendruck von 200 kPa (abs). Dies bedeutet, dass der höhere Gegendruck das große Wiederherstellungsausmaß der Spannung bereitstellt.
  • Eine Erhöhung des Gegendrucks des Oxidationsmittels erhöht den Innendruck der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10, während sich die Volumenströmungsrate verringert. Dies ergibt eine Erhöhung des Wasserdampfdrucks und eine Erhöhung der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110. Der höhere Gegendruck erweitert den Hochdruckbereich und erhöht den Bereich, der mit erzeugtem Wasser (flüssigem Wasser) gefüllt ist.
  • 12 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck des Oxidationsmittels und dem Bereich darstellt, der mit flüssigem Wasser gefüllt ist. 12 zeigt schematisch die Leistungseinheit 110. Die linke Seite von 12 korrespondiert zu der Einlassseite der Oxidationsmittelelektrode 123 und die rechte Seite korrespondiert zu der Auslassseite der Oxidationsmittelelektrode 123. Das Wasser, das durch die Leistungserzeugung erzeugt wird, bewegt sich von links nach rechts mit der Strömung des Oxidationsmittelgases. In einem linken Seitenbereich (A) von 12 wird eine geringe Menge an Wasser durch die Leistungserzeugung erzeugt. Ein rechter Seitenbereich (C) von 12 hat andererseits eine große Integrationsmenge (Aufnahmemenge) einer flüssigen Wasserströmung durch Addition der großen Mengen an Wasserdampf und erzeugtem Wasser, die von dem linken Seitenbereich und einem mittleren Bereich strömen, zu einer Menge an Wasser, die durch die Leistungserzeugung in dem rechten Seitenbereich erzeugt wird. Die Integrationsmenge an flüssiger Wasserströmung bezeichnet einen Integrationswert der Wassermenge, die stromaufwärtig eines vorbestimmten Punkts (Stelle) erzeugt wird. Unter Berücksichtigung des Verhältnisses zwischen dem Druck (Innendruck der Leistungserzeugungseinheit 110) und der Verteilung des flüssigen Wassers hat der linke Seitenbereich (A) von 12 einen hohen Druck jedoch eine geringe Menge an erzeugtem Wasser. Es ist somit unwahrscheinlich, dass das erzeugte Wasser flüssiges Wasser ausbildet, so dass der linke Seitenbereich (A) eine geringe Menge an flüssigem Wasser hat. Der rechte Seitenbereich (C) von 12 hat andererseits einen Druck, der zu dem Gegendruck äquivalent ist, aber eine große Menge an erzeugtem Wasser. Es ist somit wahrscheinlich, dass das erzeugte Wasser flüssiges Wasser ausbildet, so dass der rechte Seitenbereich (C) eine große Menge an flüssigem Wasser hat. Eine Erhöhung des höheren Gegendrucks auf 200 kPa (abs) erweitert den Hochdruckbereich zu der linken Seite, so dass es wahrscheinlich ist, dass das erzeugte Wasser flüssiges Wasser in einem mittleren Bereich (B) von 12 ausbildet. Als Ergebnis wird der Bereich, der mit flüssigem Wasser gefüllt ist, mit dem Gegendruck von 200 kPa (abs) erweitert verglichen zu dem Bereich mit dem Gegendruck von 140 kPa (abs).
  • Wie vorstehend beschrieben ist, steuert gemäß dem dritten Beispiel das Steuerungsgerät 700 den Gegendruck auf 140 kPa (abs) bis auf 200 kPa (abs), um die Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 mit flüssigem Wasser zu füllen und dadurch das Wiederherstellungsausmaß der Spannung zu erhöhen. Um den Gegendruck zu erhöhen, kann der Einlassdruck der Leistungserzeugungseinheit 110 gemäß der Magnitude des Gegendrucks erhöht werden. Die Ausgabeleistung der Luftpumpe 400 (1) kann erhöht werden, um den Einlassdruck der Leistungserzeugungseinheit 110 zu erhöhen. Als Ergebnis kann dadurch der Brennstoffverbrauch zum Antreiben der Luftpumpe 400 erhöht werden und kann somit einen schlechten Brennstoffverbrauch verursachen. Der Gegendruck kann somit nicht höher als 200 kPa (abs) sein.
  • Viertes Beispiel:
  • 13 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Temperatur (Zellentemperatur) der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt. Die Ergebnisse des vierten bis siebten Beispiels sind berechnete Werte unter der Annahme, dass eine gleichmäßige Leistungserzeugung vorliegt und keine Übertragung von Wasser zwischen der Anode und der Kathode stattfindet. Das Diagramm hat die Zellentemperatur als Abszisse und die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 als Ordinate. Das vierte Beispiel vergleicht die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 mit einer Variation der Zellentemperatur. Die Bedingungen, die in dem vierten Ausführungsbeispiel angewandt werden, sind wie folgt: das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsmittelgases beträgt 2,0; der Gegendruck des Oxidationsmittelgases beträgt 100 kPa (abs); und die Stromdichte des elektrischen Stroms, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, beträgt 0,2 A/cm2 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 erhöht sich mit einer Verringerung der Zellentemperatur. Eine Erhöhung der Zellentemperatur erhöht den gesättigten Wasserdampfdruck und verringert dadurch die relative Feuchtigkeit (%) (= absoluter Wasserdampfdruck [Pa]/gesättigter Wasserdampfdruck ([Pa] × 100)). Der absolute Wasserdampfdruck ist proportional zu dem Integrationsausmaß der flüssigen Wasserströmung. Das Steuerungsgerät 700 verringert die Zellentemperatur, um die Menge an flüssigem Wasser zu erhöhen und um die Ausströmung der Sulfat-Ionen oder dergleichen zu erleichtern, somit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Wiederherstellung der Spannung der Leistungserzeugungseinheit 110.
  • Die Zellentemperatur wird nicht geändert, sondern ist über den Einlass zu dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 fixiert. Wenn das Ausmaß der Leistungserzeugung pro Einheitsbereich nicht geändert wird, sondern an einer beliebigen Position in der Leistungserzeugungseinheit 110 identisch ist, wird auch die Menge an erzeugtem Wasser pro Einheitsbereich nicht geändert, sondern ist an einer beliebigen Position in der Leistungserzeugungseinheit 110 identisch. Bei der Zellentemperatur von 45°C beträgt die relative Feuchtigkeit 200% an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110. Die relative Feuchtigkeit beträgt dann 100% an der Mitte der Leistungserzeugungseinheit 110, so dass ein stromabwärtiger Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 von ihrer ungefähren Mitte mit flüssigem Wasser gefüllt ist. Bei der Zellentemperatur von 40°C beträgt die relative Feuchtigkeit 260% an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110. Um einen stromabwärtigen Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 von ihrer ungefähren Mitte mit flüssigen Wasser zu füllen, sollte die Zellentemperatur nicht höher als 45°C sein und bevorzugt ist sie nicht höher als 40°C.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, steuert gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel das Steuerungsgerät 700 die Zellentemperatur in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess, um nicht niedriger als die Raumtemperatur (25°C) und nicht höher als 45°C zu sein, um den stromabwärtigen Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 von ihrer ungefähren Mitte mit flüssigem Wasser zu füllen, um die Menge an flüssigem Wasser zu erhöhen und um die Ausströmung des Sulfat-Ions oder dergleichen zu erleichtern, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit der Wiederherstellung der Spannung der Leistungserzeugungseinheit 110 erhöht. Die Zellentemperatur kann nicht niedriger als 25°C und nicht höher als 40°C sein. Dadurch wird weiterhin erleichtert, dass die Leistungserzeugungseinheit mit flüssigem Wasser gefüllt wird.
  • Fünftes Beispiel:
  • 14 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Stromdichte und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt. Das Diagramm hat die Stromdichte des elektrischen Stroms, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, als Abszisse und die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 als Ordinate. Die Bedingungen, die in dem fünften Ausführungsbeispiel angewandt werden, sind wie folgt: das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsmittelgases beträgt 2,0; der Gegendruck des Oxidationsmittelgases beträgt 100 kPa (abs); und die Stromdichte des elektrischen Stroms, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, beträgt 0,2 A/cm2 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Gemäß den Ergebnissen, die in 14 gezeigt sind, hat die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 keine signifikante Änderung bei einer Variation der Stromdichte in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Wenn die relative Feuchtigkeit an dem Auslass gleich ist wie oder höher ist als 200%, kann die Stromdichte in dem Bereich von 0,05 A/cm2 bis 0,5 A/cm2 unter der Annahme einer ausreichenden Wasserströmung sein. Eine Erhöhung der Stromdichte erhöht das Ausmaß der Leistungserzeugung und erhöht das Integrationsausmaß der flüssigen Wasserströmung. Demgemäß ermöglicht eine Erhöhung der Stromdichte, dass die freien Sulfat-Ionen oder dergleichen schneller abgegeben werden.
  • Sechstes Beispiel:
  • 15 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsmittelgases und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt. Die Abszisse des Diagramms zeigt die Position in der Leistungserzeugungseinheit 110; das linke Ende korrespondiert zu dem Oxidationsmittelgaseinlass in der Leistungserzeugungseinheit 110 und das rechte Ende korrespondiert zu dem Oxidationsmittelgasauslass in der Leistungserzeugungseinheit 110. Die Ordinate des Diagramms zeigt die relative Feuchtigkeit. Die Bedingungen, die in dem sechsten Ausführungsbeispiel angewandt werden, sind wie folgt: die Zellentemperatur beträgt 35°C; der Gegendruck des Oxidationsmittelgases beträgt 100 kPa (abs); und die Stromdichte des elektrischen Stroms, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, beträgt 0,2 A/cm2 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Das sechste Ausführungsbeispiel verwendet das Oxidationsmittelgas, das den Taupunkt von –40°C hat und im Wesentlichen frei von dem Feuchtegehalt ist.
  • Eine Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsmittelgases verringert die Strömungsrate eines trockenen Oxidationsmittelgases und dadurch erhöht sich die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110. Zum Beispiel ist unter der Annahme, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigem Wasser in einem Bereich mit der relativen Feuchtigkeit von oder oberhalb von 200% gefüllt ist, ein ungefähr 45%-Bereich an der stromabwärtigen Seite mit flüssigen Wasser bei dem stöchiometrischen Verhältnis von 2,0 gefüllt und ist ein ungefähr 55%-Bereich an der stromabwärtigen Seite mit flüssigen Wasser bei einem stöchiometrischen Verhältnis von 1,2 gefüllt. Demgemäß erhöht eine Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses den Bereich, von dem das Sulfat-Ion oder dergleichen abgebbar ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, erhöht gemäß dem sechsten Beispiel das Steuerungsgerät 700 die Wahrscheinlichkeit, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigem Wasser gefüllt ist, durch Verringern des stöchiometrischen Verhältnisses des Oxidationsmittelgases in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess.
  • Siebtes Beispiel:
  • 16 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen dem Gegendruck des Oxidationsmittelgases und der relativen Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess darstellt. Ähnlich wie in 15 zeigt die Abszisse des Diagramms die Position in der Leistungserzeugungseinheit 110; korrespondiert das linke Ende zu dem Oxidationsmittelgaseinlass in der Leistungserzeugungseinheit 110 und korrespondiert das rechte Ende zu dem Oxidationsmittelgasauslass in der Leistungserzeugungseinheit 110. Die Ordinate des Diagramms zeigt die relative Feuchtigkeit. Die Bedingungen, die in dem siebten Beispiel angewandt werden, sind wie folgt: die Zellentemperatur beträgt 35°C; das stöchiometrische Verhältnis des Oxidationsmittelgases beträgt 2,0; und die Stromdichte des elektrischen Stroms, der von der Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 entnommen wird, beträgt 0,2 A/cm2 in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Das sechste Beispiel verwendet das Oxidationsmittelgas, das den Taupunkt von –40°C hat und im Wesentlichen frei von dem Feuchtegehalt ist.
  • Eine Erhöhung des Gegendrucks des Oxidationsmittelgases verringert die Strömungsrate eines trockenen Oxidationsmittelgases pro Bereich (Fläche) und dadurch erhöht sich die relative Feuchtigkeit an dem Auslass der Leistungserzeugungseinheit 110. Zum Beispiel wird es angenommen, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigem Wasser in einem Bereich mit der relativen Feuchtigkeit von oder oberhalb von 200% gefüllt ist. In 16 ist P1 ein Schnittpunkt zwischen einer Gegendrucklinie von 200 kPa (abs) und einer relativen Feuchtigkeitslinie von 200%. Bei dem Gegendruck von 200 kPa (abs) hat ein Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 von dem Einlass zu dem Punkt P1 (30% des gesamten Bereichs) die relative Feuchtigkeit, die niedriger ist als 200%, und somit ist sie nicht mit flüssigem Wasser gefüllt, während ein Bereich von dem Punkt P1 zu dem Auslass (70% des gesamten Bereichs) die relative Feuchtigkeit hat, die nicht niedriger ist als 200%, und somit mit flüssigem Wasser gefüllt ist. P2 ist ein Schnittpunkt zwischen einer Gegendrucklinie von 150 kPa (abs) und der relativen Feuchtigkeitslinie von 200%. Bei dem Gegendruck von 150 kPa (abs) ist ein Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 von dem Einlass zu dem Punkt P2 (40% des gesamten Bereichs) nicht mit flüssigem Wasser gefüllt, während ein Bereich von dem Punkt P2 zu dem Auslass (60% des gesamten Bereichs) mit flüssigem Wasser gefüllt ist. P3 ist ein Schnittpunkt zwischen einer Gegendrucklinie von 100 kPa (abs) und der relativen Feuchtigkeitslinie von 200%. Bei dem Gegendruck von 100 kPa (abs) ist ein Bereich von dem Einlass zu dem Punkt P3 (60% des gesamten Bereichs) mit flüssigem Wasser gefüllt, während ein Bereich von dem Punkt P3 zu dem Auslass (40% des gesamten Bereichs) mit flüssigem Wasser gefüllt ist. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse liegt der Gegendruck bevorzugt in dem Bereich von 150 kPa (abs) bis 200 kPa (abs). Dieses Beispiel wird unter der Annahme angewandt, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigem Wasser in dem Bereich mit der relativen Feuchtigkeit von oder oberhalb von 200% gefüllt ist. Bei der relativen Feuchtigkeit, die nicht niedriger als 100% ist, bewirkt der Wasserdampf, der die relative Feuchtigkeit von 100% überschreitet, eine Taukondensation und bildet sich flüssiges Wasser aus. Demgemäß kann die angewandte Annahme derart sein, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigem Wasser in einem Bereich mit der relativen Feuchtigkeit von einem beliebigen Wert in dem Bereich gefüllt ist, der nicht niedriger als 100% und niedriger als 200% ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, erhöht gemäß dem siebten Beispiel das Steuerungsgerät 700 die Wahrscheinlichkeit, dass die Leistungserzeugungseinheit 110 mit flüssigen Wasser gefüllt ist, durch Erhöhen des Gegendrucks des Oxidationsmittelgases in dem Neustartsimulationsevaluierungsprozess. Dieses Ergebnis stimmt gut mit dem Ergebnis des dritten Beispiels überein, in dem der Gegendruck bevorzugt in dem Bereich von 140 kPa (abs) bis 200 kPa (abs) liegt. Bei weiterer Berücksichtigung des Ergebnisses dieses Beispiels liegt der Gegendruck bevorzugt in dem Bereich von 150 kPa (abs) bis 200 kPa (abs).
  • Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit 110
  • 17 ist ein Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit. In einem Schritt S100 stoppt das Steuerungsgerät 700 eine Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Leistungserzeugungseinheit 110. Dadurch verringert sich die Zellenspannung, wie in 5 gezeigt ist. Die Reaktion der Brennstoffzelle ist eine exotherme Reaktion, so dass ein Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittelgases eine Leistungserzeugung (Stromerzeugung) stoppt und sich die Temperatur der Leistungserzeugungseinheit (Zellentemperatur) verringert.
  • In einem Schritt S110 bestimmt das Steuerungsgerät 700, ob sich das Potential der Oxidationsmittelelektrode 123 auf oder unter einen vorbestimmten Wert verringert hat. Der vorbestimmte Wert kann zum Beispiel 0,6 V sein, wie vorstehend beschrieben ist. Dieser Schritt wendet den Prozess zum Verringern der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine niedrige Spannung an. In einem Schritt S120 bestimmt das Steuerungsgerät 700, ob sich die Temperatur der Leistungserzeugungseinheit 110 (Zelle) auf oder unter eine spezifizierte Temperatur verringert hat. Die spezifizierte Temperatur kann zum Beispiel 40°C oder 35°C sein, wie vorstehend beschrieben ist. Das Steuerungsgerät 700 kann die Abfolge der Bestimmungen in den Schritten S110 und S120 ändern.
  • In einem Schritt S130 startet das Steuerungsgerät 700 die Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Leistungserzeugungseinheit 110 neu (wieder). In einem Schritt S140 führt das Steuerungsgerät 700 eine Leistungserzeugung mit einer hohen Strömungsrate an flüssigem Wasser in einem weiten Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110 aus. Insbesondere führt das Steuerungsgerät 700 eine Leistungserzeugung derart aus, dass das Integrationsausmaß einer flüssigen Wasserströmung des erzeugten Wassers gleich wird wie ein Wert korrespondierend zu der relativen Feuchtigkeit von 200% in einem weiten Bereich der Leistungserzeugungseinheit 110.
  • Das Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit 110, die vorstehend beschrieben ist, wendet den Prozess zum Verringern der Spannung der Oxidationsmittelelektrode 123 auf eine niedrige Spannung in dem Schritt S110 an. Das Steuerungsgerät 700 dient somit dazu, um das Sulfat-Ion oder dergleichen von/aus Pt der Oxidationsmittelelektrode 123 freizugeben. In dem Schritt S140 erzeugt das Steuerungsgerät 700 eine große Menge an Wasser und verwendet dieses erzeugte Wasser zum Ausströmen der freien Sulfat-Ionen oder dergleichen, um die Leistungserzeugungseffizienz der Leistungserzeugungseinheit 110 wiederherzustellen.
  • Modifizierungen der Steuerung zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit 110
    • (1) In dem Steuerungsablaufdiagramm, das in 17 gezeigt ist, kann das Steuerungsgerät 700 die Last 600 vor dem Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittelgases in dem Schritt S100 trennen.
    • (2) Das Steuerungsgerät 700 kann die Last 600 zwischen dem Schritt S110 und dem Schritt S120 trennen.
    • (3) Das Steuerungsgerät 700 kann einen festen Widerstand anstelle der Last 600 nach dem Trennen der Last 600 in (1) verbinden.
    • (4) Das Steuerungsgerät 700 kann den festen Widerstand in (3) nach dem Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittels in dem Schritt S100 verbinden.
    • (5) Das Steuerungsgerät 700 kann eine externe Last anstelle des Verbindens des festen Widerstands in (3) verbinden.
    • (6) Das Steuerungsgerät 7 kann die externe Last in (5) nach dem Stoppen der Zufuhr des Oxidationsmittels in dem Schritt S100 ähnlich wie in (4) verbinden.
    • (7) In dem Steuerungsablaufdiagramm, das in 17 gezeigt ist, kann das Steuerungsgerät 700 den Wiederherstellungsprozess stoppen, wenn sich die Zellentemperatur nicht auf oder unter die spezifizierte Temperatur in dem Schritt S120 verringert hat. In dem Fall, in dem der Schritt S120 vor dem Schritt S110 in 17 ausgeführt wird, kann das Steuerungsgerät 700 den Wiederherstellungsprozess stoppen, wenn sich die Zellentemperatur nicht auf oder unter die spezifizierte Temperatur in dem Schritt S120 verringert hat.
    • (8) In dem Schritt S120 in dem Steuerungsablaufdiagramm, das in 17 gezeigt ist, kann das Steuerungsgerät 700 die Leistungserzeugungseinheit 110 der Brennstoffzelle 10 durch eine natürliche Kühlung oder durch eine Zwangskühlung abkühlen. Das Steuerungsgerät 700 kann die Kühlwasserpumpe 500 zum Zuführen einer größeren Menge an Kühlwasser verwenden, um dadurch die Leistungserzeugungseinheit 110 zwangsweise abzukühlen.
  • Achtes Beispiel:
  • Das achte Beispiel stellt eine Kathodenkatalysatortinte bereit, indem ein PtCo-Katalysator, der auf Kohlenstoffpartikeln gestützt wird, bereitgestellt wird und Nafion (eingetragene Marke) hinzugefügt wird, während eine Anodenkatalysatortinte bereitgestellt wird, indem ein Pt-Katalysator, der auf Kohlenstoffpartikel gestützt wird, bereitgestellt wird und Nafion (eingetragene Marke) hinzugefügt wird. Die Kathodenkatalysatorschicht 123 und die Anodenkatalysatorschicht 122 werden dann durch Aufbringen und Trocknen der Kathodenkatalysatortinte und der Anodenkatalysatortinte auf einem Substrat ausgebildet. Die Membranelektrodenbaugruppe MEA 120 (2) wird dann durch Übertragen der Kathodenkatalysatorschicht und der Anodenkatalysatorschicht auf die Elektrolytmembran 122 (auf Nafion basierende Elektrolytmembran) durch thermisches Pressen erzeugt. In dem achten Ausführungsbeispiel ist die Fläche der MEA 120 nicht kleiner als 200 cm2. Ein Modul der Leistungserzeugungseinheit 110 wird dann durch Anordnen der MEA 120 zwischen den Gasdiffusionsschichten 132 und 133 erzeugt.
  • 18 ist ein Schaubild, das das Verhältnis zwischen der Zeit, wann das Potenzial der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V gehalten wird, und dem Wiederherstellungsausmaß (Wiederherstellungsbetrag) der Spannung gemäß dem achten Beispiel darstellt. Ähnlich wie in dem ersten Beispiel weist ein Ablauf (Zyklus) in dem achten Beispiel einen erzeugten Potentialschwankungsdauerprozess, einen IV-Charakteristikevaluierungsprozess (1), einen Stoppsimulationsevaluierungsprozess, einen Stoppbedingungssimulationsevaluierungsprozess, einen Neustartsimulationsevaluierungsprozess und einen IV-Charakteristikevaluierungsprozess (2) auf. Das achte Beispiel misst die Wirkung der Zeit, wann das Potenzial der Oxidationsmittelelektrode auf ein niedriges Potential in dem Stopfbedingungssimulationsevaluierungsprozess gehalten wird. Wenn die Zeit, zu der das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V gehalten wird, gleich ist wie oder länger ist als 10 Minuten, beträgt das Wiederherstellungsausmaß der Spannung ungefähr 17,5 mV oder mehr. Die längere Zeit, wann das niedrigere Potential gehalten wird, ergibt das größere Wiederherstellungsausmaß der Spannung. Wie vorstehend mit Bezug auf 8 beschrieben ist, ermöglicht ein Steuern der Zellenspannung (Potential der Oxidationsmittelelektrode) auf oder unter 0,7 V, dass das Sulfat-Ion oder dergleichen von der Pt-Elektrode freigegeben wird. Eine Erhöhung dieser Niedrigpotentialaufrechterhaltungszeit ermöglicht eine Freigabe einer größeren Menge des Sulfat-Ions oder dergleichen. In dem achten Beispiel ist die Zeit, wann das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V gehalten wird, gleich wie oder länger als 10 Minuten. Um das Wiederherstellungsausmaß der Spannung von ungefähr 10 mV zu erreichen, kann jedoch die Zeit, wann das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V gehalten wird, mehrere Minuten betragen.
  • 19 ist ein Schaubild, das eine Gestaltung zum Aufrechterhalten des Potentials der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V für eine lange Zeit schematisch darstellt. Die Darstellung von 19 vereinfacht eine Gestaltung ähnlich der in 1. Der Unterschied der Gestaltung von 19 zu der Gestaltung von 1 liegt darin, dass ein Rückschlagventil 460 zusätzlich an der stromabwärtigen Seite des Oxidationsmittelgasauslassventils 440 vorgesehen ist. Dadurch wird verhindert, dass das Oxidationsmittelgas von der stromabwärtigen Seite in dem Auslasssystem zurückströmt und sich das Potential der Oxidationsmittelelektrode erhöht.
  • 20 ist ein Steuerungsablaufdiagramm zur Spannungswiederherstellung der Leistungserzeugungseinheit, die in dem achten Ausführungsbeispiel anwendbar ist. Nachstehend sind die Unterschiede zu dem Steuerungsablaufdiagramm der Spannungswiederherstellung beschrieben, das in 17 gezeigt ist. Der Steuerungsprozess von 17 bestimmt vereinfacht, ob sich das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter dem vorbestimmten Wert verringert, in dem Schritt S110. Der Steuerungsprozess von 20 bestimmt andererseits die Niedrigpotenzialaufrechterhaltungszeit oder bestimmt insbesondere, ob die Zeit, wann das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V (Niedrigpotentialaufrechterhaltungszeit) gehalten wird, gleich ist wie oder länger ist als 10 Minuten, in einem Schritt S115. Ein Schritt S125, der 45°C als die Referenztemperatur verwendet, ist im Wesentlichen äquivalent zu dem Schritt S120 von 17. Ein Schritt S145 ist im Wesentlichen äquivalent zu dem Schritt S140 von 17.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, ist gemäß dem achten Beispiel die Zeit, wann das Potential der Oxidationsmittelelektrode auf oder unter 0,6 V gehalten wird, gleich wie oder länger als 10 Minuten festgelegt. Dies ermöglicht eine Freigabe einer größeren Menge des Sulfat-Ions oder dergleichen und erhöht das Wiederherstellungsausmaß der Spannung der Leitungserzeugungseinheit. Die Abfolge der Bestimmungen der Schritte S115 und S125 kann in 20 geändert werden.
  • Vorstehend sind einige Gesichtspunkte der Erfindung mit Bezug auf einige Ausführungsbeispiele und Beispiele beschrieben. Die Ausführungsbeispiele und die Beispiele der Erfindung, die vorstehend beschrieben sind, sind nur zum Zweck der Erleichterung des Verständnisses der Erfindung und nicht zum Zweck des Beschränkens der Erfindung in einer beliebigen Weise vorgesehen. Die Erfindung kann geändert, modifiziert und abgewandelt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung und deren umfassenden Äquivalente abzuweichen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    20
    Brennstoffzellensystem
    100
    Brennstoffzellenstapel
    110
    Leistungserzeugungseinheit (Stromerzeugungseinheit)
    120
    Membranelektrodenbaugruppe
    121
    Elektrolytmembran
    122
    Anodenkatalysatorschicht, Brennstoffelektrode
    123
    Kathodenkatalysatorschicht, Oxidationsmittelelektrode
    132, 133
    Gasdiffusionsschicht
    142, 143
    poröser Gasströmungsweg
    152, 153
    Separatorplatte
    160
    Dichtung
    200
    Stromabnehmer
    210
    Isolierungsplatte
    230, 231
    Endplatte
    240
    Zugstab
    250
    Mutter
    300
    Brennstofftank
    310
    Brennstoffgaszufuhrkanal
    320
    Ventil
    330
    Brennstoffgasauslassleitung
    340
    Brennstoffgasauslassventil
    350
    Druckmessgerät
    360
    Brennstoffgaswiederherstellungsleitung
    370
    Pumpe
    400
    Luftpumpe
    410
    Oxidationsmittelgaszufuhrkanal
    420
    Ventil
    430
    Oxidationsmittelgasauslassleitung
    440
    Oxidationsmittelgasauslassventil
    450
    Druckmessgerät
    460
    Rückschlagventil
    500
    Kühlwasserpumpe
    510
    Kühlwasserleitung
    520
    Kühler
    530
    Thermometer
    600
    Last
    700
    Steuerungsgerät

Claims (14)

  1. Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelle mit einem Katalysator; eine Brennstoffgaszufuhreinrichtung, die gestaltet ist, um ein Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle zuzuführen; eine Oxidationsmittelzufuhreinrichtung, die gestaltet ist, um ein Oxidationsmittelgas zu der Brennstoffzelle zuzuführen; und ein Steuerungsgerät, das gestaltet ist, um eine Zufuhr und ein Stoppen des Brennstoffgases, eine Zufuhr und ein Stoppen des Oxidationsmittelgases und eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zu steuern, wobei das Steuerungsgerät die Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle stoppt und, nachdem eine Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf einen vorbestimmten ersten Wert oder unter diesen verringert wird und auch eine Temperatur der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten zweiten Wert oder unter diesen verringert wird, das Steuerungsgerät die Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle neu startet und die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle neu startet, um Wasser zu erzeugen und dadurch eine Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der erste Wert ein positiver Wert ist, der nicht höher als 0,6 V ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Steuerungsgerät die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle derart neu startet, dass eine Menge an Wasser, die durch eine Reaktion der Brennstoffzelle nach dem Neustart der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird, eine Menge ist, die zu einer relativen Feuchtigkeit korrespondiert, die nicht niedriger als 200% in einer Mitte eines Oxidationsmittelgasströmungswegs ist, in dem das Oxidationsmittelgas der Brennstoffzelle strömt, in einer Verteilung der Menge an erzeugtem Wasser in der Brennstoffzelle.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 wobei eine Zeit, wann die Spannung auf dem ersten Wert oder unter diesem gehalten wird, 10 Minuten oder länger andauert.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Wert ein Wert ist, der nicht niedriger als die Raumtemperatur und nicht höher als 40°C ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Steuerungsgerät die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle mit einem elektrischen Strom mit einer Stromdichte neu startet, die nicht niedriger als 0,1 A/cm2 und nicht höher als 0,2 A/cm2 ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des Weiteren Folgendes aufweist: eine Gegendruckregeleinrichtung, die gestaltet ist, um einen Gegendruck des Oxidationsmittelgases an einem Auslass der Brennstoffzelle zu regeln, wobei das Steuerungsgerät den Gegendruck steuert, um nicht niedriger als 140 kPa (abs) und nicht höher als 200 kPa (abs) zu sein, wenn die Leistungserzeugung neu gestartet wird.
  8. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, wobei das Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren Folgendes aufweist: Stoppen einer Zufuhr eines Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle; und nachdem eine Spannung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, auf einen vorbestimmten ersten Wert oder unter diesen verringert wird und auch eine Temperatur der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten zweiten Wert oder unter diesen verringert wird, Neustarten der Zufuhr des Oxidationsmittelgases zu der Brennstoffzelle und Neustarten einer Leistungserzeugung der Brennstoffzelle, um Wasser zu erzeugen und um dadurch eine Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen.
  9. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Wert ein positiver Wert ist, der nicht höher als 0,6 V ist.
  10. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach entweder Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Neustarten der Leistungserzeugung die Brennstoffzelle derart neu startet, dass eine Menge an Wasser, die durch eine Reaktion der Brennstoffzelle nach dem Neustart der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugt wird, eine Menge ist, die zu einer relativen Feuchtigkeit korrespondiert, die nicht niedriger als 200% in einer Mitte eines Oxidationsmittelgasströmungswegs ist, in dem das Oxidationsmittelgas der Brennstoffzelle strömt, in einer Verteilung der Menge an erzeugtem Wasser in der Brennstoffzelle.
  11. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Zeit, wann die Spannung auf dem ersten Wert oder unter diesem gehalten wird, 10 Minuten oder länger andauert.
  12. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der zweite Wert ein Wert ist, der nicht niedriger als die Raumtemperatur und nicht höher als 40°C ist.
  13. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Neustarten der Leistungserzeugung die Brennstoffzelle mit einem elektrischen Strom mit einer Stromdichte neu startet, die nicht niedriger als 0,1 A/cm2 und nicht höher als 0,2 A/cm2 ist.
  14. Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Neustarten der Leistungserzeugung einen Gegendruck des Oxidationsmittelgases steuert, um nicht niedriger als 140 kPa (abs) und nicht höher als 200 kPa (abs) zu sein.
DE112013006226.7T 2012-12-26 2013-09-04 Brennstoffzellensystem und Leistungserzeugungseffizienzwiederherstellungsverfahen einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem Withdrawn DE112013006226T5 (de)

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JP2012/282053 2012-12-26
JP2012282053 2012-12-26
PCT/JP2013/005236 WO2014103101A1 (ja) 2012-12-26 2013-09-04 燃料電池システム及び燃料電池システムにおける燃料電池の発電性能回復方法

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