DE112018006273T5

DE112018006273T5 - Brennstoffzellensystem und steuerungsverfahren für einbrennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112018006273T5
Application number: DE112018006273.2T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Matsuno; Masahiro Ogawa; Takayuki Kaneko; Yoshiaki Sakata; Tsuyoshi Shimomichi; Keita Tomomichi; Ayaki Sasaki
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-12-07
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-08-20
Also published as: CN111801825A; JPWO2019111886A1; CN111801825B; JP6916901B2; WO2019111886A1

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Ausführung umfasst eine Brennstoffzelle, die eine Treibstoffelektrodenpassage und eine Oxidationsmittelpassage umfasst und so konfiguriert ist, dass sie Leistung unter Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases, das einer Treibstoffelektrode zugeführt wird, und eines sauerstoffhaltigen Gases, das einer Oxidationselektrode zugeführt wird, erzeugt, sowie ein Luftgebläse, das in einer Kreislaufgaspassage vorgesehen ist und ein Anodenabgas zirkulieren lässt und so konfiguriert ist, dass es das Anodenabgas von der Treibstoffelektrode ansaugt und das Anodenabgas auf eine stromabwärtige Seite der Kreislaufgaspassage entlädt, ein Auslassventil, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslasspassage öffnet und schließt, die einen Teil des Anodenabgases aus einem Abzweigteil ablässt, das zwischen einem Gasgebläse in der Kreislaufgaspassage und einer Verbindungsstelle vorgesehen ist, ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil und dem Auslassventil in der Auslasspassage angeordnet ist und einen größeren Druckverlust als die Treibstoffelektrodenpassage in der Brennstoffzelle aufweist, und eine Steuervorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle so steuert, dass er höher als ein Druck in einer Wasserstoffgaszufuhrpassage ist.

Description

Gebiet
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem.
Hintergrund
Im Allgemeinen erzeugt ein Brennstoffzellensystem Leistung durch die Verwendung eines wasserstoffhaltigen Gases, das einer Treibstoffelektrode in einer Brennstoffzelle zugeführt wird, und eines sauerstoffhaltigen Gases, das einer Oxidationsmittelelektrode in der Brennstoffzelle zugeführt wird. Ein Anodenabgas, das während der Leistungserzeugung von der Treibstoffelektrode entladen wird, enthält nicht reagierten Wasserstoff. Daher kann das Anodenabgas wieder der Brennstoffzelle zugeführt werden, um zur Leistungserzeugung verwendet zu werden.
Wenn das Anodenabgas umgewälzt bzw. im Kreislauf geführt wird, nimmt die Konzentration der im Anodenabgas enthaltenen Verunreinigungen o.ä. mit der Zeit zu, was zu einem Spannungsabfall der Brennstoffzelle führt. Daher wird eine Auslasspassage mit einer Kreislaufgaspassage verbunden, um das Anodenabgas zu zirkulieren, und ein Auslassventil der Auslasspassage wird bei Bedarf geöffnet, um das produzierte Wasser und die Verunreinigungen zusammen mit einem Teil des Anodenabgases abzuführen. Dementsprechend wird die Konzentration der Verunreinigungen o.ä. im Anodenabgas, das wieder für die Leistungserzeugung verwendet werden soll, reduziert.
In der Regel ist jedoch in der Kreislaufgaspassage ein Rückschlagventil o.ä. vorgesehen, um zu verhindern, dass beim Ablassen des Anodenabgases das von außen zugeführte wasserstoffhaltige Gas austritt, so dass ein Druckverlust in der Kreislaufgaspassage entsteht. Daher ist es wahrscheinlich, dass die in der Kreislaufgaspassage bereitgestellte Hilfsenergie eines Gasgebläses groß wird, was zu einer Verringerung des Leistungserzeugungswirkungsgrades eines Brennstoffzellen-Gesamtsystems führt.
Zitierliste
Patent-Literatur
[Patentliteratur 1] Japanische Offenlegung Patentanmeldung Nr. 2005-93232
Zusammenfassung
Technisches Problem
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems und eines Brennstoffelektrode für ein Brennstoffzellensystem, das einen Druckverlust in einer Kreislaufgaspassage verringern kann.
Lösung des Problems
Ein Brennstoffzellensystem nach einer Ausführungsform umfasst: eine Brennstoffzelle mit einer Treibstoffelektrodenpassage, die ein wasserstoffhaltiges Gas liefert, das von einer Wasserstoffgaszufuhrpassage zugeführt wird, an eine Treibstoffelektrode zuführt, und mit einer Oxidationsmittelpassage, die ein sauerstoffhaltiges Gas einer Oxidationsmittelelektrode zuführt, und die konfiguriert ist, um Leistung unter Verwendung des der zugeführten wasserstoffhaltigen Gases und des der Oxidationsmittelelektrode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen; ein Luftgebläse, das in einer Kreislaufgaspassage vorgesehen ist, die ein Anodenabgas, das aus der Treibstoffelektrodenpassage abgegeben wird, über eine Verbindungsstelle zwischen der Wasserstoffgaszufuhrpassage und der Rückführgaspassage zirkuliert, und das so konfiguriert ist, dass es das Anodenabgas von einer stromabwärtigen Seite der Treibstoffelektrodenpassage ansaugt und das Anodenabgas zu einer stromabwärtigen Seite der Kreislaufgaspassage abgibt; ein Auslassventil, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslasspassage öffnet und schließt, die einen Teil des Anodenabgases aus einem Abzweigteil ablässt, das zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufpassage und der Verbindungsstelle vorgesehen ist; ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil und dem Auslassventil in der Auslasspassage angeordnet ist und einen größeren Druckverlust aufweist als die Treibstoffelektrodenpassage in der Brennstoffzelle; und eine Steuerungsvorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle so steuert, dass er höher als ein Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage ist.
Ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform umfasst: eine Brennstoffzelle mit einer Treibstoffelektrodenpassage, die ein wasserstoffhaltiges Gas liefert, das von einer Wasserstoffgaszufuhrpassage einer Treibstoffelektrode zugeführt wird, und mit einer Oxidationsmittelpassage, die ein sauerstoffhaltiges Gas einer Oxidationsmittelelektrode zuführt, und konfiguriert ist, um Leistung unter Verwendung des der Treibstoffelektrode zugeführten wasserstoffhaltigen Gases und des der Oxidationsmittelelektrode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen; ein Luftgebläse, das in einer Kreislaufgaspassage vorgesehen ist, die ein Anodenabgas, das aus der Treibstoffelektrodenpassage abgegeben wird, über eine Verbindungsstelle zwischen der Wasserstoffgaszufuhrpassage und der Kreislaufgaspassage zirkuliert, und das so konfiguriert ist, dass es das Anodenabgas von einer stromabwärtigen Seite der Treibstoffelektrodenpassage ansaugt und das Anodenabgas zu einer stromabwärtigen Seite der Kreislaufgaspassage abgibt; ein Auslassventil, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslasspassage öffnet und schließt, die einen Teil des Anodenabgases aus einem Abzweigteil ausstößt, das zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle vorgesehen ist; und ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil und dem Auslassventil in der Auslasspassage angeordnet ist und einen größeren Druckverlust als die Treibstoffelektrodenpassage in der Brennstoffzelle hat, wobei das Steuerungsverfahren das Steuern des Luftgebläses umfasst, um einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in dem Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle höher als einen Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage zu machen.
Figurenliste

[1] 1 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems.
[2] 2 ist ein Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer Brennstoffzelle schematisch darstellt.
[3] 3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen Drücken in einem Rohr veranschaulicht.
[4] 4 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer zweiten Ausführungsform.
[5] 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerbeispiel für ein Brennstoffzellensystem nach einer dritten Ausführungsform zeigt.
[6] 6 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer vierten Ausführungsform.
[7] 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerbeispiel für das Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform darstellt.
[8] 8 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Auslasspassage nach einer fünften Ausführungsform.
[9] 9 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Auslasspassage nach einer sechsten Ausführungsform.
[10] 10 ist eine Seitenansicht eines exzentrischen Reduzierstücks.
[11] 11 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform.
12] 12 ist eine Seitenansicht eines exzentrischen Reduzierstücks, das eine exzentrische Düse verwendet.

Beschreibung der Ausführungsformen
Ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert. Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und es ist nicht zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. In den Figuren, auf die in den Ausführungsformen Bezug genommen wird, werden gleiche Teile oder Teile mit identischer Funktion durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen bezeichnet, und es kann sein, dass redundante Erläuterungen dazu weggelassen werden. Ferner kann es sein, dass aus Gründen der Einfachheit der Erklärung die Maßverhältnisse der Teile in den Figuren sich von denen der tatsächlichen Produkte unterscheiden und ein Teil der Konfigurationen in den Figuren weggelassen wird.
(Erste Ausführungsform)
Zunächst wird eine Gesamtkonfiguration eines Brennstoffzellensystems 1 unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 1. Wie in 1 dargestellt, ist das Brennstoffzellensystem 1 ein System, das in der Lage ist, ein Anodenabgas wiederzuverwenden, das von einer Treibstoffelektrode einer Brennstoffzelle während der Leistungserzeugung entladen wird, und das so konfiguriert ist, dass es eine Wasserstoffgaszufuhrpassage 2, eine Sauerstoffgaszufuhrpassage 4, eine Kreislaufgaspassage 6, eine Verbindungsstelle 8 und eine Auslasspassage 10, einem Verzweigungsteil 12, eine erste Kühlwasserpassage 14, eine zweite Kühlwasserpassage 16, eine Last 18, eine Brennstoffzelle 100, eine Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102, eine Oxidationsmittelversorgungsvorrichtung 104, ein Luftgebläse 106, ein Ausführungs- bzw. Auslassventil 108, ein Druckverlustelement 110, einen Wassertank 112, eine Wasserpumpe 114 und eine Steuerungsvorrichtung 116 umfasst. 1 zeigt eine Z-Richtung parallel zu einer vertikalen Richtung der Brennstoffzelle 100 und X- und Y-Richtungen, die senkrecht zur Z-Richtung und parallel zueinander verlaufen. Im Falle einer Installation der Brennstoffzelle 100 gemäß der vorliegenden Ausführung in einer horizontalen Ebene ist die Z-Richtung parallel zur Schwerkraftrichtung.
Die Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 ist eine Verbindung zwischen einem Einlass einer Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 und der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 und versorgt die Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 mit einem wasserstoffhaltigen Gas. Die Sauerstoffgaszufuhrpassage 4 ist ein Durchlass, der zwischen einem Einlass einer Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b in der Brennstoffzelle 100 und der Sauerstoffgaszufuhrpassage 4 angeschlossen ist und ein sauerstoffhaltiges Gas der Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b in der Brennstoffzelle 100 zuführt.
Die Kreislaufgaspassage 6 ist ein Durchgang zwischen einem Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 und der Verbindungsstelle 8 der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. In der Kreislaufgaspassage 6 zirkuliert ein Anodenabgas, das aus der Treibstoffelektrodenpassage 100a austritt, über die Verbindungsstelle 8 der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2.
Die Auslasspassage 10 ist ein Durchgang, der vom Abzweigteil 12 abzweigt, der zwischen dem Luftgebläse 106 in der Kreislaufgaspassage 6 und der Verbindungsstelle 8 vorgesehen ist, und einen Teil des Anodenabgases abführt. Die erste Kühlwasserpassage 14 ist ein Durchgang, der zwischen dem Wassertank 112 und einem Einlass einer Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 angeschlossen ist und der Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 Kühlwasser zuführt. Die zweite Kühlwasserpassage 16 ist ein Durchgang, der zwischen dem Wassertank 112 und einem Auslass der Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 angeschlossen ist und aus der Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 austretendes Kühlwasser dem Wassertank 112 zuführt.
Die Last 18 verbraucht elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird. Zum Beispiel entspricht die Last 18 einem Elektromotor oder ähnlichem in einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug montiert ist, einem PC, einer Beleuchtungsvorrichtung oder ähnlichem in einer Anlage in einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 an ein elektrisches System einer Anlage gekoppelt ist, und einer Beleuchtungsvorrichtung oder einem elektrischen Haushaltsgerät in einem Fall, in dem das Brennstoffzellensystem 1 an ein elektrisches System in einem allgemeinen Haus gekoppelt ist.
Die Brennstoffzelle 100 umfasst darin die Treibstoffelektrodenpassage 100a, die das wasserstoffhaltige Gas der Treibstoffelektrode zuführt, und die Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b, die das sauerstoffhaltige Gas der Oxidationsmittelelektrode zuführt, und erzeugt Leistung unter Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases, das der Treibstoffelektrode zugeführt wird, und des sauerstoffhaltigen Gases, das der Oxidationsmittelelektrode zugeführt wird. Das Anodenabgas ist ein Gas, das bei der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 100 aus der Treibstoffelektrodenpassage 100a austritt und nicht umgesetztes Wasserstoffgas enthält. Eine detaillierte Konfiguration der Brennstoffzelle 100 wird später beschrieben.
Die Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 ist ein Kompressor, der ein wasserstoffhaltiges Gas, das bei der Reformierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs durch einen Reformer entsteht, z.B. der Treibstoffelektrodenpassage 100a zuführt. Diese Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 liefert das wasserstoffhaltige Gas von der Vorlaufseite der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 über die Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. Als Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 kann eine Wasserstoffflasche o.ä. verwendet werden.
Die Oxidationsmittelversorgungsvorrichtung 104 ist z.B. ein Gebläse und befindet sich auf der stromaufwärtigen Seite der Sauerstoffgaszufuhrpassage 4. Diese Oxidationsmittelversorgungsvorrichtung 104 führt das sauerstoffhaltige Gas über die Sauerstoffgaszufuhrpassage 4 der Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b in der Brennstoffzelle 100 zu.
Das Luftgebläse 106 ist z.B. eine Membranpumpe, eine „Roots“-Pumpe oder eine Schraubenpumpe und befindet sich in der Kreislaufgaspassage 6 auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Verbindungsstelle 8 der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. Dieses Luftgebläse 106 saugt das Anodenabgas von der stromabwärts gelegenen Seite der Treibstoffelektrode an und gibt es auf der stromabwärts gelegenen Seite des Luftgebläses 106 in der Kreislaufgaspassage 6 ab.
Das Auslassventil 108 öffnet und schließt die Auslasspassage 10, die einen Teil des Anodenabgases ablässt. Das Druckverlustelement 110 ist ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil 12 der Auslasspassage 10 und dem Auslassventil 108 angeordnet ist und einen größeren Druckverlust als die Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 hat.
Der Wassertank 112 speichert Wasser, das einer Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 zugeführt werden soll, und versorgt die Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 über die erste Kühlwasserpassage 14 mit Kühlwasser. In der zweiten Kühlwasserpassage 16 ist die Wasserpumpe 114 vorgesehen, die durch Unterdruck Wasser aus der Wasserpassage in der Brennstoffzelle 100 ansaugt und das Wasser in den Wassertank 112 zurückführt.
Die Steuerungsvorrichtung 116 steuert das gesamte Brennstoffzellensystem 1. Die Steuerungsvorrichtung 116 ist z.B. ein Mikrocomputer, der mit einer CPU (Central Processing Unit), einem Speichergerät, einem Ein-/Ausgabegerät und ähnlichem ausgestattet ist. Die Steuerungsvorrichtung 116 liest Signale von verschiedenen Sensoren (nicht abgebildet), die im Brennstoffzellensystem 1 vorgesehen sind. Die Steuerungsvorrichtung 116 sendet auch eine Anweisung an jedes der Bestandteile des Brennstoffzellensystems 1, zu denen z.B. die Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102, die Oxidationsmittelversorgungsvorrichtung 104, das Luftgebläse 106 und das Auslassventil 108 gehören, basierend auf den verschiedenen Lesesignalen und einer Steuerlogik (ein Programm), die im Voraus in der Steuerungsvorrichtung 116 gespeichert ist. Auf diese Weise führt die Steuerungsvorrichtung 116 das Gesamtmanagement aller für den Betrieb und das Anhalten des Brennstoffzellensystems 1 erforderlichen Operationen durch und steuert alle Vorgänge.
Eine detaillierte Konfiguration der Brennstoffzelle 100 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das schematisch ein Konfigurationsbeispiel der Brennstoffzelle 100 darstellt. Die Brennstoffzelle 100 wird durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen 100c konfiguriert, wie es in 2 dargestellt ist. Die Brennstoffzellenzellen 100c enthalten jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 100d, einen Treibstoffelektrodenseparator 100e und einen Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f.
Die Membran-Elektroden-Einheit 100d hat eine Festpolymer-Elektrolytmembran, eine Treibstoffelektrode, die auf einer Oberfläche der Festpolymer-Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine Oxidationsmittelelektrode, die auf der der Treibstoffelektrode gegenüberliegenden Oberfläche der Festpolymer-Elektrolytmembran angeordnet ist. Die Treibstoffelektrodenpassage 100a wird im Treibstoffelektrodenseparator 100e gezeichnet. Die Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b wird im Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f gebildet. Zwischen den Brennstoffzellen 100c wird eine Wasserpassage 20 zur Befeuchtung des Treibstoffelektrodenseparators 100e und des Oxidationsmittelelektrodenseparators 100f gebildet. Die Wasserpassage 20 wird durch eine wasserdichte Platte mit einer darin ausgebildeten Nut gebildet, unabhängig vom Treibstoffelektrodenseparator 100e oder dem Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f. Diese Wasserpassage 20 ist auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Treibstoffelektrodenseparators 100e zu einer Oberfläche, in der die Treibstoffelektrodenpassage 100a ausgebildet ist, und auf einer gegenüberliegenden Oberfläche des Oxidationsmittelelektrodenseparators 100f hin zu einer Oberfläche, in der die Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b ausgebildet ist, ausgebildet. Obwohl der Treibstoffelektrodenseparator 100e und der Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f in der vorliegenden Ausführungsform unabhängig voneinander sind, können sie miteinander integriert sein.
Die Brennstoffzellenzellen 100c erzeugen Leistung durch Reaktionen, die durch die chemische Formel 1 dargestellt werden. Ein wasserstoffhaltiges Gas strömt in der Treibstoffelektrodenpassage 100a auf einer Treibstoffelektrodenseite, um eine Treibstoffelektrodenreaktion zu bewirken. Ein sauerstoffhaltiges Gas strömt in der Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b auf einer Oxidationsmittelelektrodenseite, um eine Oxidationsmittelelektrodenreaktion zu bewirken. Die Brennstoffzelle 100 nutzt diese elektrochemischen Reaktionen, um den Elektroden eine elektrische Energie zu entziehen.
(Chemische Formel 1)
Reaktion der Treibstoffelektrode: H₂→2H⁺ + 2e^- Oxidationsmittelelektrodenreaktion: 2H⁺ + 2e^- + (1/2) O₂ → H₂O
Eine der Eigenschaften der Brennstoffzelle 100 wird durch die Strom-Spannungs-Kennlinie dargestellt. Eine tatsächliche Spannung der Brennstoffzelle 100, wenn ein vorbestimmter Strom fließt, ist niedriger als ein theoretischer Wert. Als eine der Ursachen für diesen Spannungsabfall wird eine Diffusions-Überspannung betrachtet, die z.B. durch Wasser verursacht wird, das bei der Zufuhr von Reaktionsgasen oder bei einer Batteriereaktion entsteht. Wenn Wasser bei den elektrochemischen Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle 100c erzeugt wird und sich in einer Gasdiffusionsschicht aus einem elektrodenbildenden Material in feine Poren füllt, wird die Diffusionsfähigkeit der Reaktionsgase verringert. Folglich steigt die Diffusions-Überspannung an.
Daher werden der Treibstoffelektrodenseparator 100e und der Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f nach der vorliegenden Ausführungsform durch poröse Separatoren konfiguriert. Beispielsweise umfassen der Treibstoffelektrodenseparator 100e und der Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f einen porösen Kohlenstoffkörper. Diese Separatoren können Wasser enthalten, das zur Befeuchtung einer Elektrolytmembran im porösen Körper benötigt wird. Indem der Druck in der Wasserpassage 20 niedriger als der atmosphärische Druck gemacht wird, kann das durch die Elektrodenreaktionen erzeugte Wasser aus den Separatoren abgesaugt und in der Wasserpassage 20 absorbiert werden, so dass eine Überflutung auf der gasabwärts gerichteten Seite verhindert werden kann. Entsprechend kann die Erhöhung der Diffusions-Überspannung reduziert werden. Der poröse Separator kann aus Metalloxid gebildet werden.
Weiterhin kann in der Brennstoffzelle 100 nach der vorliegenden Ausführungsform ein dichter Separator, z.B. aus Edelstahl oder Kohlenstoff, verwendet werden. Die Verwendung eines dichten Separators ermöglicht den Durchfluss eines Frostschutzmittels, wie Ethylenglykol oder Propylenglykol, zur Wasserpassage 20 und zum Wassertank 112. In diesem Fall kann das Fließen des Frostschutzmittels durch Überdruck bewirkt werden.
Rohre, wie die Wasserstoffgaszufuhrpassage 2, durch die das wasserstoffhaltige Gas strömt, die Kreislaufgaspassage 6 und die Auslasspassage 10, sind aus einem rostfreien Material wie SUS304 oder SUS316L. Außerdem sind ein Rohr und ein anderes Rohr oder eine Vorrichtung durch ein Gewindefitting mit einem Flansch oder einem Dichtungsband oder einem Swagelok-Fitting miteinander verbunden.
Als Material des Rohres wird kein ferritischer Edelstahl verwendet, der zur Wasserstoffversprödung neigt. Stattdessen wird austenitischer rostfreier Stahl verwendet. Im Allgemeinen ist es erforderlich, für ein Hochdruck-Wasserstoffrohr SUS316L zu verwenden, das aus austenitischer Edelstahl ist. Für ein Niederdruck-Wasserstoffrohr ist kein bestimmtes Material erforderlich. Daher wird SUS304, ein kostengünstiger austenitischer Edelstahl, verwendet.
Wenn ein schmales Rohr an die vertikale Mitte eines breiten Rohrs angeschlossen wird, bleibt das Kondenswasser in dem breiten Rohr bis zu einer Höhe, bei der das schmale Rohr sich öffnet, und der Fluss des Kondenswassers wird unregelmäßig, wodurch die Zufuhr von Wasserstoff unregelmäßig wird. Außerdem erhöht das verbleibende Kondenswasser das Risiko der Rostbildung in einem Rohr. Daher wird in der vorliegenden Ausführung ein exzentrisches Reduzierstück in einem Fall verwendet, in dem ein schmales Rohr mit einem breiten Rohr verbunden ist. Dementsprechend ist es möglich, zu verhindern, dass auf der stromaufwärts gelegenen Seite anfallendes Kondenswasser stehen bleibt, und das Kondenswasser in das schmale Rohr auf der stromabwärts gelegenen Seite fließt.
Was Wasserstoff betrifft, so ist die zur Zündung erforderliche Energie sehr gering, und es besteht die Gefahr einer Zündung selbst durch statische Elektrizität oder Ähnliches. Daher sind alle Rohre, durch die Wasserstoff fließt, mit der Erde verbunden. Das heißt, da eine Packung eines Flansches, ein Dichtband oder ähnliches als Dichtungsmaterial eines Verbindungsteils nicht elektrisch leitend ist, werden zwischen den Rohren und zwischen einem Rohr und einem Gerät Kreuzverdrahtungen angeordnet, und alle Rohre und Geräte, durch die Wasserstoff fließt, sind mit der Erde verbunden.
Als nächstes werden die Betriebsvorgäng der ersten Ausführungsform beschrieben. Zuerst wird eine Strömung eines sauerstoffhaltigen Gases beschrieben. Die Oxidationsmittelversorgungsvorrichtung 104 führt das sauerstoffhaltige Gas über die Sauerstoffgaszufuhrpassage 4 der Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b in der Brennstoffzelle 100 zu, wobei sie von der Steuerungsvorrichtung 116 gesteuert wird. Das sauerstoffhaltige Gas, das in die Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b eingetreten ist, wird einer Oxidationsmittelelektrode jeder Brennstoffzellenzelle 100c zugeführt. Ein Teil des sauerstoffhaltigen Gases, das die Oxidationsmittelelektrode erreicht hat, empfängt Protonen und Elektronen, die von einer Treibstoffelektrode entladen werden, und erzeugt Wasser, wie durch die oben beschriebene chemische Formel 1 dargestellt.
Als nächstes wird eine Strömung eines wasserstoffhaltigen Gases beschrieben. Die Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 versorgt die Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 über die Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 mit dem wasserstoffhaltigen Gas, wobei sie von der Steuerungsvorrichtung 116 gesteuert wird. Das wasserstoffhaltige Gas, das in die Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 eingetreten ist, wird der Treibstoffelektrode jeder Brennstoffzelle 100c zugeführt. Ein Teil des wasserstoffhaltigen Gases, das die Treibstoffelektrode erreicht hat, erzeugt Protonen und Elektronen an der Treibstoffelektrode, wie durch die oben beschriebene chemische Formel 1 dargestellt. Überschüssiges wasserstoffhaltiges Gas, das nicht zur Leistungserzeugung verwendet wird, wird als Anodenabgas von einem Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 zur Kreislaufgaspassage 6 abgeführt. Die Kreislaufgaspassage 6 führt das aus der Treibstoffelektrodenpassage 100a austretende Anodenabgas über die Verbindungsstelle 8 der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 im Kreislauf. In dieser Zirkulation wird das Luftgebläse 106 von der Steuerungsvorrichtung 116 so gesteuert, dass es das Anodenabgas von der stromabwärtigen Seite der Treibstoffelektrode ansaugt und zur stromabwärtigen Seite des Luftgebläses 106 in der Kreislaufgaspassage 6 abführt.
Als nächstes wird ein Fluss eines Teils des Anodenabgases beschrieben, das aus der Auslasspassage 10 austritt. Das Auslassventil 108 wird durch die Steuerungsvorrichtung 116 gesteuert, um sich zu öffnen. Dementsprechend wird ein Teil des Anodenabgases durch das Auslassventil 108 abgeführt.
3 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einem Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2, einem Druck in einem Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100, d.h. einem Druck auf der stromaufwärtigen Seite des Luftgebläses 106 in der Kreislaufgaspassage 6, und einem Druck in einem Auslass des Luftgebläses 106 der Kreislaufgaspassage 6 zeigt. Wie es in 3 dargestellt ist, steuert die Steuerungsvorrichtung 116 den Druck im Auslass des Luftgebläses 106 zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle so, dass er höher ist als der Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. Weiterhin wird ein Druckverlust im Druckverlustelement 110 der Auslasspassage 10 so konfiguriert, dass er größer ist als ein Druckverlust in der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100. Außerdem ist aufgrund des Druckverlusts in der Treibstoffelektrodenpassage 100a der Druck in einer Auslassöffnung des stromaufwärts gelegenen Luftgebläses 106 höher als der Druck im Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100, der stromabwärts gelegen ist. Ein Druckverlust ist ein Energieverlust pro Zeit- und Durchgangseinheit, wenn ein Fluid durch das Druckverlustelement 110 o.ä. strömt.
D.h. wenn der Druckverlust im Druckverlustelement 110 in der Auslasspassage 10 größer als der Druckverlust in der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 konfiguriert ist, und wenn die Steuerungsvorrichtung 116 den Druck im Auslass des Luftgebläses 106 zwischen dem Luftgebläse 106 in der Kreislaufgaspassage 6 und der Verbindungsstelle 8 höher als den Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 steuert, wird der Druck im Auslass des Luftgebläses 106 zwischen dem Luftgebläse 106 in der Kreislaufgaspassage 6 und der Verbindungsstelle 8, der Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 und der Druck in der Kreislaufgaspassage 6 im Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 in dieser Reihenfolge höher. Aus dieser Tatsache ist zu verstehen, dass ein wasserstoffhaltiges Gas in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 auch dann nicht in die Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt, wenn das Auslassventil 108 durch die Steuerung der Steuerungsvorrichtung 116 geöffnet wird, um einen Teil eines Anodenabgases durch das Auslassventil 108 ausströmen zu lassen. Daher ist in der Kreislaufgaspassage 6 kein Rückschlagventil erforderlich, und die Leistung des Luftgebläses 106 kann reduziert werden.
Außerdem, wie es in 3 dargestellt ist, beträgt die Druckdifferenz zwischen der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 und dem Druckstutzen des Luftgebläses 106 etwa 6 kPa, und die Saugleistung des Luftgebläses 106 kann relativ gering sein. Darüber hinaus beträgt die Druckdifferenz in der Auslassöffnung des Luftgebläses 106 zwischen dem Auslass des Anodenabgases und dem Stoppen des Anodenabgases weniger als 8 kPa. In ähnlicher Weise beträgt die Druckdifferenz in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 und die Druckdifferenz im Auslass der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100 zwischen dem Zeitpunkt der Entladung des Anodenabgases und dem Zeitpunkt, an dem die Entladung des Anodenabgases gestoppt wird, weniger als 0,5 kPa.
Als nächstes wird ein Kühlwasserfluss beschrieben, der vom Wassertank 112 zur Wasserpassage 20 in der Brennstoffzelle 100 geführt wird. Das Kühlwasser, das vom Wassertank 112 der Wasserpassage 20 in der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, ist im Treibstoffelektrodenseparator 100e und im Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f, d.h. in den porösen Separatoren 100e und 100f, enthalten. Dementsprechend wird das zur Befeuchtung der Membran-Elektroden-Einheit 100d benötigte Wasser aus Treibstoffelektrodenseparator 100e und dem Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f zugeführt.
Weiterhin wird das Kühlwasser in der Wasserpassage 20 angesaugt und von der Wasserpumpe 114 über die zweite Kühlwasserpassage 16 dem Wassertank 112 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Wasserpumpe 114 durch Unterdruck Wasser aus der Wasserpassage 20 in der Brennstoffzelle 100 ansaugt, um den Druck in der Wasserpassage 20 niedriger als den atmosphärischen Druck zu machen, wird durch Elektrodenreaktionen erzeugtes Wasser aus dem Treibstoffelektrodenseparator 100e und dem Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f angesaugt und in der Wasserpassage 20 aufgenommen. Dadurch wird eine Überflutung auf der stromabwärts gelegenen Seite der Treibstoffelektrodenpassage 100a und der Oxidationsmittelelektrodenpassage 100b verhindert.
Wie es oben beschrieben ist, ist nach der vorliegenden Ausführungsform ein Druckverlust im Druckverlustelement 110 in der Auslasspassage 10 größer konfiguriert als ein Druckverlust in der Treibstoffelektrodenpassage 100a in der Brennstoffzelle 100, und die Steuerungsvorrichtung 116 steuert einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses 106 zwischen dem Luftgebläse 106 in der Kreislaufgaspassage 6 und der Verbindungsstelle 8 höher als einen Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. Dementsprechend wird, wenn ein Anodenabgas aus der Auslasspassage 10 abgeführt wird, ein Druck in der Kreislaufgaspassage 6 von einer Auslassöffnung des Luftgebläses 106 zur Verbindungsstelle 8 der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 höher als der Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2. Daher ist es möglich, den Eintritt eines wasserstoffhaltigen Gases, das von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 zugeführt wird, in die Auslasspassage 10 zu verhindern, ohne ein Rückschlagventil in der Kreislaufgaspassage 6 vorzusehen, so dass die Energienutzungseffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems 1 erhöht wird.
Außerdem sind der Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f und der Treibstoffelektrodenseparator 100e durch poröse Separatoren ausgestaltet. Diese Konfiguration ermöglicht die Zufuhr von Wasser, das zur Befeuchtung einer Elektrolytmembran benötigt wird, aus dem Treibstoffelektrodenseparator 100e und dem Oxidationsmittelelektrodenseparator 100f. Außerdem wird überschüssiges flüssiges Wasser in der Membran-Elektroden-Einheit 100d von den Separatoren 100e oder 100f angesaugt und in die Wasserpassage 20 aufgenommen, wobei der Druck in der Wasserpassage 20 niedriger als der Atmosphärendruck gemacht wird, so dass ein Überflutungsphänomen verhindert wird. Da eine Überflutung verhindert wird, ist es möglich, eine Zunahme der Diffusionspolarisation, eine Erhöhung der Zellspannung und eine Verschlechterung der Zelle durch Wasserstoffmangel in einer Treibstoffelektrode zu verhindern.
(Modifikation der ersten Ausführungsform)
Das Brennstoffzellensystem 1 nach einer Modifikation der ersten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 1 nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung 116 des Weitern die Funktion hat, eine Leistung des Luftgebläses 106 im Verhältnis zu einem Wert eines von der Brennstoffzelle 100 an die Last 18 gelieferten Stroms zu verändern. Die Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems 1 ist identisch mit der des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform und daher werden Beschreibungen davon weggelassen. In den folgenden Beschreibungen werden die Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Modifikation und dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
Da die Menge an Wasserstoff, die von der Brennstoffzelle 100 zur Leistungserzeugung verwendet wird, im Verhältnis zu einem Stromwert steht, ist die Menge eines abgegebenen Anodenabgases proportional zum Stromwert. Daher steuert die Steuerungsvorrichtung 116 gemäß der vorliegenden Modifikation die Luftblasmenge des Luftgebläses 106 auf der Grundlage eines Stromwertes, der zur Last 18 fließt. Die Steuerungsvorrichtung 116 ändert die Leistung des Luftgebläses 106 proportional zum Stromwert, der von der Brennstoffzelle 100 zur Last 18 fließt. In einem Fall, in dem das Luftgebläse 106 z.B. ein Kreislaufgasgebläse ist, erhöht die Steuerungsvorrichtung 116 die Drehzahl des Kreislaufgasgebläses, wenn der Wert des von der Brennstoffzelle 100 an den Verbraucher 18 gelieferten Stroms steigt, und reduziert die Drehzahl des Kreislaufgasgebläses, wenn dieser Stromwert reduziert wird. Die allgemeine Steuerung für das Luftgebläse 106 wird durch eine Regelung auf der Grundlage eines der Brennstoffzelle 100 zugeführten Durchflussmessers ausgeführt. Daher kann ein Ansprechen des Luftgebläses 106 verzögert sein, und es besteht die Möglichkeit, dass der Wirkungsgrad der Wasserstoffnutzung verringert wird.
Wie oben beschrieben, steuert die Steuerungsvorrichtung 116 gemäß der vorliegenden Modifikation das Luftblasvolumen des Luftgebläses 106 auf der Grundlage eines Stromwertes, der zur Last 18 fließt. Dadurch ist ein schnelleres Ansprechen möglich, und es ist somit möglich, die der Brennstoffzelle 100 zuzuführende Wasserstoffmenge näher an einen Zielwert zu bringen. Daher ist es möglich, eine Verminderung des Wirkungsgrades der Leistungserzeugung zu verhindern, die durch eine Verringerung des Wasserstoff-Nutzungsgrades und eine Verschlechterung der Zelle aufgrund von Wasserstoffmangel verursacht wird. Darüber hinaus ist es unnötig, einen Durchflussmesser vorzusehen, der für die allgemeine Rückkopplungssteuerung erforderlich ist, so dass eine Kostenreduzierung erreicht werden kann.
(Zweite Ausführungsform)
Das Brennstoffzellensystem 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem 1 nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass in der Kreislaufgaspassage 6 auf der stromaufwärtigen Seite des Luftgebläses 106 ein kondensierender Wärmetauscher 118 und ein Geruchsverschluss 120 vorgesehen sind. In den folgenden Beschreibungen werden die Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
4 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 1 nach einer zweiten Ausführungsform. Wie es in 4 dargestellt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform zusätzlich den Kondensationswärmetauscher 118 und den Geruchsverschluss bzw. Kondensatableiter 120. Der Kondensationswärmetauscher 118 und der Geruchsverschluss 120 sind auf der stromaufwärtigen Seite des Luftgebläses 106 in der Kreislaufgaspassage 6 vorgesehen.
Der Kondensationswärmetauscher 118 sorgt für den Wärmeaustausch zwischen dem ihm zugeführten Leitungswasser und einem Anodenabgas, das von der Kreislaufgaspassage 6 in ihn hineinströmt. Entsprechend wird das Anodenabgas abgekühlt und die Feuchtigkeit kondensiert. Darüber hinaus kann das aus dem Kondensationswärmetauscher 118 austretende Frisch- oder Leitungswasser auch für die Warmwasserversorgung verwendet werden. Anstelle von Leitungswasser kann ein Frostschutzmittel zugeführt und umgewälzt werden, und es kann eine Wärmerückgewinnung für dieses Frostschutzmittel und Leitungswasser über einen weiteren Wärmetauscher erfolgen.
Wenn Luft in die Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt, werden Wasserstoff und Sauerstoff miteinander vermischt und es besteht die Gefahr einer Zündung. Daher muss verhindert werden, dass Luft aus einer Ausführungs- bzw. Abflusspassage 22 in die Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt. Wenn außerdem ein Rückschlagventil in der Abflusspassage 22 vorgesehen ist, um zu verhindern, dass Luft aus der Abflusspassage 22 in der Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt, wird das Rückschlagventil zu einem Druckverlustfaktor, weshalb eine Pumpe erforderlich ist, um Kondenswasser abzuführen. Deshalb ist in der Abflusspassage 22 im Brennstoffzellensystem 1 nach der vorliegenden Ausführung der Geruchsverschluss 120 vorgesehen.
Der Geruchsverschluss 120 speichert die Feuchtigkeit, die durch die Kühlung des Anodenabgases in der Abflusspassage 22 kondensiert. Genauer gesagt ist der Geruchsverschluss 120 in vertikaler Richtung auf einem höheren Niveau angeordnet als eine Flüssigkeitsoberfläche des Wassertanks 112, und die Abflusspassage 22 einschließlich des Wassertanks 112 erstreckt sich vom Geruchsverschluss 120 in vertikaler Richtung nach unten und dann in vertikaler Richtung nach oben und leitet Wasser nach außerhalb des Systems ab. Ein oberstes Niveau einer Flüssigkeitsoberfläche in der Abflusspassage 22 ist in vertikaler Richtung auf einem höheren Niveau als der Geruchsverschluss 120 angeordnet. Dementsprechend wird Wasser in der Abflusspassage 22 gespeichert, und es wird verhindert, dass Außenluft über die Abflusspassage 22 in die Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Luft und Feuchtigkeit von außerhalb des Systems zurückströmt, ohne dass ein Rückschlagventil vorhanden ist.
Außerdem sind das Luftgebläse 106 und der Kondensationswärmetauscher 118 jeweils auf einer höheren Ebene in vertikaler Richtung angeordnet als der Geruchsverschluss 120. Auf diese Weise ist der Kondensationswärmetauscher 118 an einer Position angeordnet, die sich auf der stromaufwärtigen Seite des Geruchsverschluss 120 befindet und näher an der Brennstoffzelle 100 liegt als der Geruchsverschluss 120.
Als nächstes wird der Ablauf eines Prozesses zur Kühlung eines Anodenabgases durch den Kondensationswärmetauscher 118 beschrieben. Das Anodenabgas, das dem Kondensationswärmetauscher 118 aus der Kreislaufgaspassage zugeführt wird, wird durch Wärmeaustausch mit Frischwasser gekühlt. Dementsprechend wird die Feuchtigkeit im Anodenabgas kondensiert und über den Geruchsverschluss 120 abgeführt. Entsprechend kann das Eindringen der im Anodenabgas enthaltenen Feuchtigkeit in das Luftgebläse 106 und in das Druckverlustelement 110 verhindert werden.
Da sich die Abflusspassage 22 des Geruchsverschlusses 120 in vertikaler Richtung nach unten und dann in vertikaler Richtung nach oben erstreckt und Wasser ableitet, ist die Abflusspassage 22 des Geruchsverschlusses 120 mit Wasser gefüllt. Dadurch wird verhindert, dass Außenluft über die Abflusspassage 22 in die Kreislaufgaspassage 6 zurückströmt.
Außerdem ist ein oberstes Niveau der Flüssigkeitsoberfläche in der Abflusspassage 22 in vertikaler Richtung auf einem niedrigeren Niveau als der Geruchsverschluss 120 angeordnet. Dementsprechend wird verhindert, dass Wasser n der Abflusspassage 22 in den Geruchsverschluss 120 zurückfließt.
Wie es oben beschrieben ist, wird nach der vorliegenden Ausführungsform, da die Feuchtigkeit in einem Anodenabgas durch den Kondensationswärmetauscher 118 abgeführt wird, verhindert, dass die Feuchtigkeit in das Luftgebläse 106 und das Druckverlustelement 110 gelangt. Dadurch wird die Möglichkeit eines Ausfalls des Luftgebläses 106 reduziert und die Möglichkeit, dass das Druckverlustelement 110 mit der Feuchtigkeit verstopft wird, verringert.
Außerdem ist das Luftgebläse 106 in vertikaler Richtung auf einer höheren Ebene als der Geruchsverschluss 120 angeordnet, und das Luftgebläse 106 ist auf der stromabwärts gelegenen Seite des Geruchsverschlusses 120 angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass Kondenswasser in der Kreislaufgaspassage aufsteigt, so dass der Einfluss des Kondenswassers auf das Luftgebläse 106 und das Druckverlustelement 110 reduziert wird. Auf diese Weise wird die Möglichkeit eines Ausfalls des Luftgebläses 106 reduziert und die Möglichkeit, dass das Druckverlustelement 110 durch die Feuchtigkeit blockiert wird, verringert.
Darüber hinaus ist der Kondensationswärmetauscher 118 in vertikaler Richtung auf einer höheren Ebene als der Geruchsverschluss 120 an einer Stelle angeordnet, die sich auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Geruchsverschluss 120 befindet und näher an der Brennstoffzelle 100 liegt, als der Geruchsverschluss 120. Daher ist es durch den Kondensationswärmetauscher 118 möglich, Abwärme aus dem Anodenabgas, das sich in einem Zustand befindet, in dem ein geringerer Wärmeabgabeverlust vorliegt, zurückzugewinnen, und kondensiertes Wasser, das durch Kondensieren von Wasserdampf im Anodenabgas erhalten wurde, effizient in den Geruchsverschluss 120 zurückzugewinnen.
Da außerdem ein oberstes Niveau einer Flüssigkeitsoberfläche in der Abflusspassage 22 in vertikaler Richtung auf einem niedrigeren Niveau als der Geruchsverschluss 120 angeordnet ist, kann Wasser in der Abflusspassage 22 nach außerhalb des Systems abgeleitet werden, ohne zum Geruchsverschluss 120 zurückzufließen. Daher ist es möglich, das Zurückfließen von Wasser und Luft aus der Abflusspassage 22 zu verhindern, ohne ein Rückschlagventil vorzusehen.
(Dritte Ausführungsform)
Das Brennstoffzellensystem 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 1 nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Steuerungsvorrichtung 116 des Weiteren die Funktion hat, abwechselnd einen geschlossenen Zustand, in dem das Auslassventil 108 für eine bestimmte Zeit geschlossen ist, und einen geöffneten Zustand, in dem das Auslassventil 108 für eine bestimmte Zeit geöffnet ist, zu wiederholen. Die Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems 1 nach der dritten Ausführungsform entspricht der des Brennstoffzellensystems 1 nach der ersten Ausführungsform, so dass Beschreibungen derselben entfallen. In den folgenden Beschreibungen werden die Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
Die Steuerungsvorrichtung 116 (1) steuert das Auslassventil 108 auf der Grundlage einer Steuertabelle, die sich auf die Zeiten des Auslassens und Stoppens eines Anodenabgases bezieht. Diese Steuertabelle wird auf der Grundlage der Ergebnisse von Vorversuchen ermittelt. Beispielsweise wird diese Steuertabelle auf der Grundlage des Gleichgewichts zwischen dem Spannungsabfall, der durch die Erhöhung der Diffusionspolarisation in einem Fall erzeugt wird, in dem die Brennstoffzelle 100 veranlasst wird, Strom in einem Zustand zu erzeugen, in dem das Anodenabgas nicht entladen wird, und dem Spannungsanstieg, der durch die Entladung des Anodenabgases erzeugt wird, bestimmt.
Genauer gesagt bestimmt diese Kontrolltabelle Verhältnisse der Entlade- und Stoppzeiten auf der Grundlage von Parametern, wie einem Stromwert der Brennstoffzelle 100, der Anzahl der Zellen im Verhältnis zu einer Leistungserzeugungsleistung der Brennstoffzelle 100 und einer Luftverbrauchsrate der Brennstoffzelle 100. Wenn zum Beispiel der Stromwert der Brennstoffzelle 100 größer wird, erhöht sich die Menge des erzeugten Wassers, wodurch sich die Wasserstoffkonzentration in einer Treibstoffelektrode verringert und die Zeit bis zum Absinken der Zellenspannung verkürzt. Entsprechend bestimmt die Steuerungstabelle die Zeitverhältnisse so, dass das Verhältnis der Entladungszeit höher ist.
Außerdem wird mit abnehmender Luftverbrauchsrate die Menge der zugeführten Luft im Verhältnis zum Stromwert erhöht und der Stickstoffdruck in einer Oxidationsmittelelektrode wird höher. Dementsprechend bestimmt die Steuerungstabelle die Verhältnisse der Zeiten so, dass das Verhältnis der Auslasszeit höher ist. Wenn der Stickstoffdruck in der Oxidationsmittelelektrode höher wird, erhöht sich außerdem die Stickstoffmenge, die durch eine Elektrolytmembran hindurchgeht und in die Treibstoffelektrode eintritt, und somit verringert sich die Wasserstoffkonzentration in der Treibstoffelektrode. Diese Verringerung der Wasserstoffkonzentration in der Treibstoffelektrode wird verhindert, indem das Verhältnis der Entladungszeit höher gemacht wird.
Darüber hinaus wird mit der Verringerung der Anzahl der in der Brennstoffzelle 100 enthaltenen Zellen eine Stack-Spannung reduziert und ein Stromwert in Bezug auf die Leistungserzeugungsleistung erhöht. Entsprechend bestimmt die Steuerungstabelle die Zeitverhältnisse so, dass das Verhältnis der Entladezeit höher ist. Wenn der Stromwert in Bezug auf die Leistungserzeugungsleistung erhöht wird, erhöht sich die Menge des erzeugten Wassers, wodurch die Wasserstoffkonzentration in der Treibstoffelektrode leicht reduziert und die Zeit bis zum Absinken der Zellspannung kürzer wird. Indem das Verhältnis der Entladungszeit höher gemacht wird, wird daher verhindert, dass die Zeit bis zum Absinken der Zellspannung kürzer wird. Zum Beispiel liegt die Anzahl der in der Brennstoffzelle 100 enthaltenen Zellen in der Größenordnung von Dutzenden bei der Brennstoffzelle 100 mit einer Leistung von 0,7 kW, in der Brennstoffzelle 100 mit einer Leistung von 3,5 kW in der Größenordnung von hundert bis Dutzenden, und in der Brennstoffzelle 100 mit einer Leistung von 100 kW in der Größenordnung von Hunderten.
Außerdem wird das Verhältnis zwischen der Menge des zugeführten Wasserstoffs und dem Stromwert geringer, wenn die Wasserstoffverbrauchsrate höher wird. Dementsprechend bestimmt die Kontrolltabelle die Verhältnisse der Zeiten so, dass das Verhältnis der Entladezeit höher ist. Wenn das Verhältnis der Menge des zugeführten Wasserstoffs zum Stromwert niedriger wird, kann die Wasserstoffkonzentration leicht durch Stickstoff oder Wasser, die von einer Oxidationsmittelelektrode eindringen, reduziert werden. Daher wird eine Verringerung des Verhältnisses der Menge des zugeführten Wasserstoffs zum Stromwert verhindert, indem das Verhältnis der Entladungszeit höher gemacht wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsbeispiel für das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. Hier werden die Zeitpunkte des Entladens und des Anhaltens des Anodenabgases auf der Grundlage des Sromwertes der Brennstoffzelle 100, der Anzahl der Zellen in Bezug auf die Leistungserzeugungsleistung und der Luftverbrauchsrate der Brennstoffzelle 100 bestimmt.
Zunächst führt die Steuerungsvorrichtung 116 die Steuerung zum Öffnen eines Ventils des Auslassventils 108 aus (Schritt S100). Anschließend stellt die Steuerungsvorrichtung 116 fest, ob eine in einer Steuertabelle ermittelte Entladezeit verstrichen ist (Schritt S102). Ist die Entladezeit nicht verstrichen (NEIN bei Schritt S102), werden die Prozesse aus Schritt S100 fortgesetzt.
Wenn die Entladezeit verstrichen ist (JA bei Schritt S102), führt die Steuerungsvorrichtung 116 die Steuerung zum Schließen des Ventils des Entladeventils 108 aus (Schritt S104). Anschließend stellt die Steuerungsvorrichtung 116 fest, ob eine in der Steuerungstabelle festgelegte Stoppzeit verstrichen ist (Schritt S108). Ist die Entladezeit nicht verstrichen (NEIN bei Schritt S108), werden die Prozesse aus Schritt S104 fortgesetzt.
In der Zwischenzeit, wenn die Entladezeit abgelaufen ist (JA bei Schritt S108), bestimmt die Steuerungsvorrichtung 116, ob ein Gesamtprozess beendet werden soll (Schritt S110). Wenn der Gesamtprozess nicht beendet werden soll (NEIN bei Schritt S110), werden die Prozesse aus Schritt S100 wiederholt.
Wenn der Gesamtprozess beendet werden soll (JA bei Schritt S110), beendet die Steuerungsvorrichtung 116 den Gesamtprozess.
Wie oben beschrieben, erlaubt die Steuerungsvorrichtung 116 nach der vorliegenden Ausführungsform die Entladung eines Anodenabgases für eine vorbestimmte Zeit und stoppt die Entladung des Anodenabgases für eine vorbestimmte Zeit. Dementsprechend ist es möglich, die Wasserstoff-Nutzungsrate zu erhöhen und gleichzeitig einen Spannungsabfall der Brennstoffzelle 100 zu verhindern, so dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung erhöht werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, eine Verschlechterung der Zellen in der Brennstoffzelle 100 durch Wasserstoffmangel zu verhindern.
(Vierte Ausführungsform)
Das Brennstoffzellensystem 1 nach der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 1 nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass es zusätzlich einen Durchflussmesser 122 enthält, der auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Verbindungsstelle 8 zwischen der Kreislaufgaspassage 6 und der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 angeordnet ist. In den folgenden Beschreibungen werden die Unterschiede zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
6 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm des Brennstoffzellensystems 1 nach einer vierten Ausführungsform. Wie es in 6 dargestellt ist, enthält das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vierten Ausführungsform zusätzlich den Durchflussmesser 122, der auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Verbindungsstelle 8 zwischen der Kreislaufgaspassage 6 und der Wasserstoffgaszufuhrpassage 2 angeordnet ist.
Der Durchflussmesser 122 misst die Wasserstoffmenge, die von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 geliefert wird. Die Steuerungsvorrichtung 116 stoppt die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 in einem Fall, in dem die vom Durchflussmesser 122 gemessene Wasserstoffdurchflussmenge von der Wasserstoffdurchflussmenge entsprechend einem von der Brennstoffzelle 100 erzeugten Strom abweicht.
Die Steuerungsvorrichtung 116 kann die Leistung des Luftgebläses 106 proportional zu einem Wert eines von der Brennstoffzelle 100 an die Last 18 gelieferten Stroms ändern, wie bei der Modifikation der ersten Ausführung und einem fünften Beispiel. Da in diesem Fall die Durchflussmenge von Wasserstoff durch eine Gebläsedrehzahl gesteuert wird, ist es möglich, den Durchflussmesser 122 zu verwenden, der eine geringere Genauigkeit als normal hat. Zum Beispiel kann ein allgemeiner Durchflussmesser für Stadtgas kalibriert und als Durchflussmesser 122 für die Messung der Durchflussrate von Wasserstoff verwendet werden. Obwohl für den Treibstoffelektrodenseparator 100a und den Oxidationsmittelelektrodenseparator 100b poröse Separatoren verwendet werden und im vorliegenden Beispiel reines Wasser zur Kühlwasserpassage 14 und zum Wassertank 112 geleitet wird, ermöglicht die Verwendung eines dichten Separators anstelle eines porösen Separators den Durchfluss eines Frostschutzmittels wie Ethylenglykol oder Propylenglykol zur 14 und zum Wassertank 112.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsbeispiel für das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vierten Ausführungsform darstellt. Wie es in 7 dargestellt ist, erfasst die Steuerungsvorrichtung 116 einen Messwert des Durchflussmessers 122 (Schritt S200).
Anschließend stellt die Steuerungsvorrichtung 116 fest, ob ein Stromwert einer Differenz zwischen der Wasserstoffdurchflussrate gemäß einem Strom der erzeugten Leistung und der vom Durchflussmesser 122 gemessenen Wasserstoffdurchflussrate größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist (Schritt S202). Wenn dieser Betrag größer als der Schwellenwert ist (JA bei Schritt S202), stoppt die Steuerungsvorrichtung 116 die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100.
Wenn dieser Betrag gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist (NEIN bei Schritt S202), wiederholt die Steuerungsvorrichtung 116 derweil die Prozesse aus Schritt S200. Auf diese Weise stoppt die Steuerungsvorrichtung 116 die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 in einem Fall, in dem der Betrag der Differenz zwischen der Wasserstoffdurchflussrate gemäß dem Strom der erzeugten Leistung und der vom Durchflussmesser 122 gemessenen Wasserstoffdurchflussrate größer als der vorgegebene Schwellenwert ist. Da die von der Brennstoffzelle 100 abgegebene Feuchtigkeit der Kreislaufgaspassage 6 zugeführt wird, besteht die Möglichkeit, dass die Feuchtigkeit in das Luftgebläse 106 eintritt und das Luftgebläse 106 nicht normal arbeitet. Durch diese Steuerung ist es möglich, die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 auch dann zu stoppen, wenn bei einem Betrieb des Luftgebläses 106 eine Anomalie auftritt.
Wie es oben beschrieben ist, wird nach der vorliegenden Ausführungsform die Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 in einem Fall gestoppt, in dem die vom Durchflussmesser 122 gemessene Durchflussrate des Wasserstoffs von der Durchflussrate des Wasserstoffs entsprechend einem von der Brennstoffzelle 100 erzeugten Strom abweicht. Dementsprechend ist es möglich, wenn das Luftgebläse 106 nicht normal arbeitet, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle 100 aufgrund von Wasserstoffmangel zu verhindern, indem die Leistungserzeugung gestoppt wird.
(Fünfte Ausführungsform)
8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration der Auslasspassage 10 nach einer fünften Ausführungsform illustriert. In 8 wird die Darstellung der Auslasspassage 10 und des Druckverlustelements 110 teilweise weggelassen. Das Brennstoffzellensystem 1 nach der fünften Ausführungsform unterscheidet sich vom Brennstoffzellensystem 1 nach der ersten Ausführungsform dadurch, dass es eine Bypassage 121 enthält, die die stromaufwärtige Seite und die stromabwärtige Seite des Druckverlustelements 110 miteinander verbindet. Das Zentrum einer stromaufwärtsseitigen Öffnung der Bypasspassage 121 befindet sich in vertikaler Richtung in der Nähe des untersten Teils der Auslasspassage 10, ein Druckverlust in der Bypasspassage 121 in einem Fall, in dem ein Anodenabgas zum Fließen gebracht wird, ist größer als ein Druckverlust in einem Fall, in dem das Anodenabgas zum Fließen durch das Druckverlustelement 110 gebracht wird, und ein Druckverlust in der Bypasspassage 121 in einem Fall, in dem Kondenswasser zum Fließen gebracht wird, ist kleiner als der Druckverlust in dem Fall, in dem das Anodenabgas durch das Druckverlustelement 110 geleitet wird.
Das Druckverlustelement 110 hat z.B. eine Blendenstruktur. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass eine Rohrleitung mit dem Druckverlustelement 110 zumindest zur stromabwärtigen Seite des Druckverlustelements hin im wesentlichen horizontal oder mit einem Gefälle nach oben verläuft, um zu verhindern, dass sich Wasser im Druckverlustelement festsetzt.
Wie es oben beschrieben ist, wird nach dieser Ausführungsform ein Druckverlust in der Bypassage 121 größer sein als im Druckverlustelement 110. Dementsprechend strömt ein Anodenabgas mehr zum Druckverlustelement 110. Weiterhin wird ein Druckverlust beim Durchfluss von Kondenswasser durch die Bypasspassage 121 kleiner eingestellt als ein Druckverlust beim Durchfluss des Anodenabgases durch das Druckverlustelement 110. Dementsprechend strömt das auf der stromaufwärtigen Seite des Druckverlustelements 110 kondensierte Wasser durch die Bypasspassage 121 und wird auf der stromabwärtigen Seite abgeführt. Das Kondenswasser, das auf der stromaufwärtigen Seite des Druckverlustelements 110 verbleibt, kann daher zum Druckverlustelement 110 abgeleitet werden, so dass die Gefahr der Rostbildung auf der stromaufwärtigen Seite des Druckverlustelements 110 verringert werden kann.
(Sechste Ausführungsform)
9 ist ein Konfigurationsdiagramm der Auslasspassage 10 nach einer sechsten Ausführungsform. In 9 wird die Darstellung der Auslasspassage 10 und des Druckverlustelements 110 teilweise weggelassen. Wie es in 9 dargestellt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 1 nach der sechsten Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem nach der fünften Ausführungsform dadurch, dass auf der stromaufwärtigen Seite des Druckverlustelements 110 ein Gitter 122 mit gitterförmig über den gesamten Durchlassquerschnitt angeordneten Löchern vorhanden ist. Die Maschenweite des Gitters 122 ist kleiner als der Durchgangsdurchmesser des Druckverlustelementes 110.
Wie oben beschrieben, ist nach der vorliegenden Ausführungsform das Gitter 122 angeordnet. Dadurch wird ein Wassertropfen, der größer als die Öffnungen des Gitters ist, gebrochen und fällt in vertikaler Richtung nach unten, ohne das Druckverlustelement 110 zu erreichen. Da die Löcher in einem Gittermuster über den gesamten Durchgangsquerschnitt angeordnet sind, kann sich ein am Innenumfang des Durchgangs anhaftender Wassertropfen auf dem Innenumfang des Durchgangs bewegen, ohne durch das Gitter 122 behindert zu werden. Entsprechend verringert das Gitter 122 die Möglichkeit, dass Wassertropfen das Druckverlustelement 110 blockieren. Ferner können sich die durch das Gitter 122 blockierten Wassertropfen auf dem Innenumfang des Durchgangs bewegen und die Bypasspassage 121 erreichen. Dementsprechend verbleibt kein Wassertropfen in der Auslasspassage 10, so dass die Gefahr einer Rostbildung auf der Oberseite des Druckverlustelements 110 verringert werden kann.
(Erste Modifikation)
10 ist eine Seitenansicht eines exzentrischen Reduzierstücks. Wie es in 10 dargestellt ist, unterscheidet sich die vorliegende Modifikation von der ersten bis sechsten Ausführungsform dadurch, dass das Druckverlustelement 110 durch ein exzentrisches Reduzierstück 123 konfiguriert ist. Die Unterschiede zum Druckverlustelement 110 nach der ersten bis sechsten Ausführungsform werden nachfolgend beschrieben. Ein Teil eines Reduzierstücks, in dem ein Rohr schmal ist, bildet ein Druckverlustelement. Daher ist keine Blendenstruktur erforderlich. Da bei einem allgemeinen Reduzierstück ein Rohr symmetrisch zur Mittelachse schmal wird, bleibt Kondenswasser in einem breiten Rohr und die Gefahr von Rostbildung oder ähnlichem wird größer. Im Falle der Verwendung des exzentrischen Reduzierstücks 123 befinden sich ein vertikal unteres Ende eines breiten und ein vertikal unteres Ende eines schmalen Durchgangs auf gleicher Höhe, und es ist daher möglich, das Verbleiben von Kondenswasser zu verhindern, ohne dass eine Bypasspassage für das Kondenswasser vorgesehen wird. Dementsprechend verbleibt kein Wassertropfen in der Auslasspassage 10, so dass die Gefahr einer Rostbildung auf der Oberseite des Druckverlustelements 110 verringert werden kann.
(Siebte Ausführungsform)
11 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer siebten Ausführungsform. Wie es in 11 dargestellt ist, unterscheidet sich das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der siebten Ausführungsform von dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der ersten Ausführungsform durch die Einbeziehung eines Kreislaufgasdruckverlustelements 124 in der Kreislaufgaspassage 6 auf der stromabwärts gelegenen Seite des Abzweigteils 12.
Das Kreislaufgasdruckverlustelement 124 ist ein Druckverlustelement für ein Kreislaufgas, das vom Luftgebläse 106 gesendet wird. Dementsprechend ist es möglich, den Druck zwischen dem Luftgebläse 106 und dem Kreislaufgasdruckverlustelement 124 durch ein geringeres Gebläseluftvolumen zu erhöhen. Es ist daher möglich, den Eintritt von Wasserstoff, der von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 geliefert wird, aus dem Abzweigteil 8 in einem Zustand zu vermeiden, in dem das Gebläseluftvolumen des Luftgebläses 106 stärker reduziert ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung 102 zugeführtes wasserstoffhaltiges Gas in die Auslasspassage 10 gelangt, ohne dass ein Rückschlagventil in der Kreislaufgaspassage 6 vorgesehen ist, so dass die Energienutzungseffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems 1 weiter erhöht wird.
Nach mindestens einer der oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein Druckverlust in einer Kreislaufgaspassage reduziert werden.
(Zweite Modifikation)
12 ist eine Seitenansicht eines exzentrischen Reduzierstücks, das eine exzentrische Blende 124 verwendet. Wie in 12 dargestellt, unterscheidet sich die vorliegende Modifikation von der ersten bis siebten Ausführung dadurch, dass das Druckverlustelement 110 durch die exzentrische Blende 124 konfiguriert wird. Die Unterschiede zum Druckverlustelement 110 nach der ersten bis siebten Ausführungsform werden im Folgenden beschrieben. Während ein allgemeines Reduzierstück symmetrisch in Bezug auf seine Mittelachse geöffnet ist, hat die exzentrische Blende 124 eine Konfiguration, bei der sich ein vertikal unteres Ende eines breiten Durchgangs und ein vertikal unteres Ende einer Blendenöffnung auf gleicher Höhe zueinander befinden. Daher ist es möglich, das Verbleiben von Kondenswasser zu verhindern, ohne eine Bypasspassage für das Kondenswasser zu schaffen. Dementsprechend verbleibt kein Wassertropfen in der Auslasspassage 10, so dass die Gefahr einer Rostbildung auf der Oberseite des Druckverlustelements 110 verringert werden kann. Die exzentrische Blende 124 hat die Form einer Platte und wird mit einem Flansch 125 und einem Flansch 126 über eine Dichtung (ohne Abbildung) durch Befestigung mit einem Bolzen (ohne Abbildung) fixiert und abgedichtet.
Obgleich oben mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, dienen diese Ausführungsformen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Erfindung einzuschränken. Diese Ausführungsformen können auch in anderen verschiedenen Abwandlungen ausgeführt werden, und es können verschiedene Arten von Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Diese Ausführungsformen und Abwandlungen sind im Geist und Umfang der Erfindung enthalten und sind auch in der in den beigefügten Ansprüchen und deren Äquivalenten beschriebenen Erfindung enthalten.

Claims

Ein Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle mit einer Treibstoffelektrodenpassage, die ein wasserstoffhaltiges Gas liefert, das von einer Wasserstoffgaszufuhrpassage zugeführt wird, an eine Treibstoffelektrode zuführt, und mit einer Oxidationsmittelpassage, die ein sauerstoffhaltiges Gas einer Oxidationsmittelelektrode zuführt, und die konfiguriert ist, um Leistung unter Verwendung des der zugeführten wasserstoffhaltigen Gases und des der Oxidationsmittelelektrode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen; ein Luftgebläse, das in einer Kreislaufgaspassage vorgesehen ist, die ein Anodenabgas, das aus der Treibstoffelektrodenpassage abgegeben wird, über eine Verbindungsstelle zwischen der Wasserstoffgaszufuhrpassage und der Rückführgaspassage zirkuliert, und das so konfiguriert ist, dass es das Anodenabgas von einer stromabwärtigen Seite der Treibstoffelektrodenpassage ansaugt und das Anodenabgas zu einer stromabwärtigen Seite der Kreislaufgaspassage abgibt; ein Auslassventil, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslasspassage öffnet und schließt, die einen Teil des Anodenabgases aus einem Abzweigteil ablässt, das zwischen dem Luftgebläse im Rückführgaskanal und der Verbindungsstelle vorgesehen ist; ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil und dem Auslassventil in der Auslasspassage angeordnet ist und einen größeren Druckverlust aufweist als die Treibstoffelektrodenpassage in der Brennstoffzelle; und eine Steuervorrichtung, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle so steuert, dass er höher als ein Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage ist.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuervorrichtung das Luftgebläse so steuert, dass der Druck im Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle höher ist als der Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2 weiter mit einem Kondensationswärmetauscher, der so konfiguriert ist, dass er Wasserdampf verflüssigt und entfernt, der in dem Anodenabgas enthalten ist, das in der Kreislaufgaspassage strömt, auf einer stromaufwärtigen Seite des Luftgebläses in der Kreislaufgaspassage.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine Kondenswasserausstoßvorrichtung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie Kondenswasser ausstößt, wobei das Luftgebläse auf einer höheren Ebene angeordnet als der Kondensationswärmetauscher und der Kondenswasserausstoßvorrichtung ist.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steuervorrichtung die Drehzahl des Luftgebläses von der Brennstoffzelle abhängig macht.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung das Auslassventil in einer schaltenden Weise steuert, um abwechselnd eine Auslasssteuerung, bei der der Teil des Anodenabgases für eine vorbestimmte Auslasszeit entladen wird, und eine Stoppsteuerung, bei der die Entladung des Teils des Anodenabgases für eine vorbestimmte Stoppzeit gestoppt wird, auszuführen.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Brennstoffzelle durch Stapeln einer Vielzahl von Brennstoffzellen konfiguriert ist, die jeweils die Treibstoffelektrode und die Oxidationsmittelelelektrode aufweisen, und die Steuervorrichtung die Auslasssteuerung und die Stoppsteuerung ausführt, basierend auf mindestens einem Stromwert der Brennstoffzelle, einer Energieerzeugungsleistung, Informationen über einen Druck in der Brennstoffzelle, einer Durchflussrate des wasserstoffhaltigen Gases, einer Durchflussrate des sauerstoffhaltigen Gases, der Anzahl der in der Brennstoffzelle enthaltenen Brennstoffzellen und einer Luftverbrauchsrate der Brennstoffzelle.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Auslasspassage eine Bypasspassage aufweist, die eine stromaufwärtige Seite und eine stromabwärtige Seite des Druckverlustelements miteinander verbindet, und ein Zentrum einer stromaufwärtigen Öffnung der Bypasspassage in der Nähe eines untersten Teils in vertikaler Richtung der Auslasspassage angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei ein Druckverlust in der Bypasspassage, wenn das Anodenabgas zum Strömen gebracht wird, größer ist als ein Druckverlust, wenn das Anodenabgas durch das Druckverlustelement strömt, und ein Druckverlust in der Bypasspassage, wenn kondensiertes Wasser zum Strömen gebracht wird, kleiner ist als der Druckverlust, wenn das Anodenabgas durch das Druckverlustelement strömt.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslasspassage an einem Durchlassquerschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite des Druckverlustelements ein Maschennetz aufweist, das Maschennetz Löcher in einem Gittermuster aufweist, und eine Gittergröße kleiner als ein Durchlassdurchmesser des Druckverlustelements ist.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Druckverlustelement durch ein exzentrisches Reduzierstück konfiguriert ist.
Das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner ein zwischen dem Abzweigteil und der Verbindungsstelle vorgesehenes Kreislaufgasdruckverlustelement umfasst.
Ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle mit einer Treibstoffelektrodenpassage, die ein wasserstoffhaltiges Gas liefert, das von einer Wasserstoffgaszufuhrpassage einer Treibstoffelektrode zugeführt wird, und mit einer Oxidationsmittelpassage, die ein sauerstoffhaltiges Gas einer Oxidationselektrode zuführt, und konfiguriert ist, um Leistung unter Verwendung des der Treibstoffelektrode zugeführten wasserstoffhaltigen Gases und des der Oxidationselektrode zugeführten sauerstoffhaltigen Gases zu erzeugen; ein Luftgebläse, das in einer Kreislaufgaspassage vorgesehen ist, die ein Anodenabgas, das aus der Treibstoffelektrodenpassage abgegeben wird, über eine Verbindungsstelle zwischen der Wasserstoffgaszufuhrpassage und der Kreislaufgaspassage zirkuliert, und das so konfiguriert ist, dass es das Anodenabgas von einer stromabwärtigen Seite der Treibstoffelektrodenpassage ansaugt und das Anodenabgas zu einer stromabwärtigen Seite der Kreislaufgaspassage abgibt; ein Auslassventil, das so konfiguriert ist, dass es eine Auslasspassage öffnet und schließt, die einen Teil des Anodenabgases aus einem Abzweigteil ausstößt, das zwischen dem Luftgebläse in der Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle vorgesehen ist; und ein Druckverlustelement, das zwischen dem Abzweigteil und dem Auslassventil in der Auslasspassage angeordnet ist und einen größeren Druckverlust als die Treibstoffelektrodenpassage in der Brennstoffzelle hat, wobei das Steuerungsverfahren das Steuern des Luftgebläses umfasst, um einen Druck in einem Auslass des Luftgebläses zwischen dem Luftgebläse in dem Kreislaufgaspassage und der Verbindungsstelle höher als einen Druck in der Wasserstoffgaszufuhrpassage zu machen.