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    • 专利摘要:
    EinFeuchtigkeitssensor (42) ist in einer Zirkulationspassage (40) alsPassage von Wasserstoffgas, das einer Anode (24) eines Brennstoffzellenstapels(22) zugeführtwird, angeordnet. Eine Laststromsetzeinheit (60) bestimmt einenPegel des einer Last zugeführtenelektrischen Stroms. Ein Strömungsratenregler(56) steuert/regelt einen Kompressor (48) auf der Basis der durchden Feuchtigkeitssensor (42) erfassten Feuchtigkeit und des durchdie Laststromsetzeinheit (60) erfassten Laststroms, um eine Strömungsrateder einer Kathode (26) des Brennstoffzellenstapels (22) zugeführten Luftzu regulieren, um die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases innerhalb einesvorbestimmten Bereichs von weniger als 100% zu halten. Der Brennstoffzellenstapel(22) erzeugt den Laststrom effizient, ohne das Wasserstoffgas zurAußenseite abzugeben.
    公开号:DE102004013487A1
    申请号:DE102004013487
    申请日:2004-03-18
    公开日:2004-10-21
    发明作者:Naoyuki Wako Enjoji；Norimasa Wako Kawagoe；Masaharu Wako Suzuki；Yoshinori Wako Wariishi
    申请人:Honda Motor Co Ltd；
    IPC主号:H01M8-10
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein eine Brennstoffzelle enthaltendesBrennstoffzellensystem. Die Brennstoffzelle hat eine Anode und eineKathode. Der Anode wird Brenngas zugeführt, und der Kathode wird sauerstoffhaltigesGas zugeführt,um an der Anode und der Kathode elektrochemische Reaktionen zu induzieren,und in den elektrochemischen Reaktionen erzeugte Elektrizität wird einer Lastzugeführt.
    [0002] Z.B.verwendet eine Festpolymerelektrolytbrennstoffzelle eine Membranelektrodenanordnung (MEA),die zwei Elektroden (Anode und Kathode) sowie eine zwischen Elektrodenangeordnete Elektrolytmembrane enthält. Die Elektrolytmembraneist eine Polymerionenaustauschermembrane. Die Membranelektrodenanordnungist zwischen einem Paar von Separatoren angeordnet. Die Membranelektrodenanordnungund die Separatoren bieten eine Zelleneinheit zum Erzeugen von Elektrizität.
    [0003] 8 ist eine Ansicht, dieschematisch ein Brennstoffzellensystem 2 zeigt, das einensolchen Brennstoffzellenstapel 1 enthält (siehe japanische PatentioffenlegungsschriftNr. 2002-93438). In dem Brennstoffzellensystem 2 wird Brenngas,wie etwa wasserstoffhaltiges Gas, durch einen Ejektor 3 einem Befeuchter 4 zugeführt. Nachdemdas Brenngas auf eine vorbestimmte Feuchtigkeit befeuchtet ist,wird das befeuchtete Brenngas der Anode 5 zugeführt. DerKatalysator der Anode 5 induziert eine chemische Reaktiondes Brenngases, um das Wasserstoffmolekül in Wasserstoffionen (Protonen)und Elektronen zu spalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich durchdie Elektrolytmembrane 6 zu der Kathode 7, unddie Elektronen fließendurch eine externe Schaltung zu der Kathode 7, wobei einelektrischer Gleichstrom erzeugt wird, der einer Last zugeführt wird.Ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, wird einem Befeuchter 8 zugeführt. Nachdemdas sauerstoffhaltige Gas auf eine vorbestimmte Feuchtigkeit befeuchtet wordenist, wird das befeuchtete sauerstoffhaltige Gas der Kathode 7 zugeführt. Ander Kathode 7 verbinden sich die Wasserstoffionen von derAnode 5 mit dem Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigen Gas, zurErzeugung von Wasser. Nachdem der Sauerstoff in dem sauerstoffhaltigenGas in der chemischen Reaktion teilweise verbraucht ist, werdendas sauerstoffhaltige Gas und der in der chemischen Reaktion erzeugteWasserdampf als Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegeben.
    [0004] DieBefeuchter 4 und 8 werden dazu benutzt, um dasWasserstoffgas und die Luft zu befeuchten, um die Elektrolytmembraneauf einer vorbestimmten Feuchtigkeit zu halten, die für die Energieerzeugung geeignetist. Wenn das Wasser in der Passage nahe der Anode 5 eingefangenwird, könntedas Wasserstoffgas der Anode 5 nicht ausreichend zugeführt werden,und es könnteein unerwünschterSpannungsabfall auftreten. In einem Versuch zur Lösung desProblems ist ein Ventil 9 in dem Wasserstoffkreislauf vorgesehen.Das Ventil 9 öffnetunter einer bestimmten Bedingung, um das wasserhaltige Abgas abzugeben,sodass das Wasser in der Passage nicht gefangen und die gewünschte Spannungbeibehalten werden kann.
    [0005] Derunverbrauchte Wasserstoff in dem Abgas wird von der Anode 5 zurAußenseiteverschwenderisch abgegeben. Der Verlust der unverbrauchten Wasserstoffsverringert die Kraftstoff-Wirtschaftlichkeit. Somit ist es notwendig,die Wasserstoffkonzentration in dem Wasserstoffgas (Abgas) untereinen vorbestimmten Pegel zu drücken.Die optimale Bedingung zu abgeben der minimalen Wasserstoffgasmengemuss durch verschiedene Experimente empirisch bestimmt werden. Fernersind in dem herkömmlichen Brennstoffzellensystemein Mechanismus zum Senken der Wasserstoffkonzentration in dem Abgas, einMechanismus zum Verdünnendes Wasserstoffgases sowie ein Mechanismus zum Verbrennen des Wasserstoffgaseserforderlich.
    [0006] Eineallgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystemanzugeben, in dem kontinuierlich eine stabile Energieerzeugung ausgeführt wird,ohne jegliches Abgas von der Anodenseite her abzugeben.
    [0007] EineHauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystemanzugeben, in dem kein wasserstoffhaltiges Gas verschwenderischzur Außenseiteabgegeben wird und das wasserstoffhaltige Gas effizient genutztwird, um die wirtschaftliche Energieerzeugung auszuführen.
    [0008] Eineandere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfachesund wirtschaftliches Brennstoffzellensystem anzugeben, in dem keinBefeuchter zum Befeuchten des wasserstoffhaltigen Gases an der Anodenseitevorgesehen ist.
    [0009] Einenoch andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfachesund wirtschaftliches Brennstoffzellensystem anzugeben, in dem keinMechanismus zum Verdünnenoder Verbrennen von wasserstoffhaltigem Gas vorgesehen ist.
    [0010] Gemäß der vorliegendenErfindung wird die Strömungsratedes der Kathode zugeführtensauerstoffhaltigen Gases gesteuert/geregelt, um die von der Kathodezur Anode diffundierende Wassermenge sowie die von der Anode zurKathode durch die Wasserstoffionen (Protonen) gezogene Wassermenge (Wassermoleküle) zu regulieren.Wasserkondensation an der Anodenseite wird verhindert, und die Elektrolytmembranewird durch das von der Kathode zur Anode diffundierte Wasser geeignetbefeuchtet. Daher ist kein Befeuchter erforderlich, um das wasserstoffhaltigeGas zu befeuchten. Die gewünschte Mengean wasserstoffhaltigem Gas wird der Anode zugeführt, um die stabile Energieerzeugungauszuführen.
    [0011] Gemäß der vorliegendenErfindung wird die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigen Gases durcheinen Feuchtigkeitssensor akkurat erfasst, und die Feuchtigkeitwird in einen vorbestimmten Bereich von weniger als 100 % gesteuert/geregelt.
    [0012] Gemäß der vorliegendenErfindung wird das wasserstoffhaltige Gas zirkuliert, um das unverbrauchteWasserstoffgas der Anode zuzuführen.Somit wird das wasserstoffhaltige Gas nicht zur Außenseiteabgegeben. Der Wasserstoff in dem wasserstoffhaltigen Gas wird effizientgenutzt.
    [0013] Gemäß der vorliegendenErfindung werden die Strömungsratedes der Kathode zugeführtensauerstoffhaltigen Gases und die Strömungsrate des der Anode durchdie Zirkulationspassage zugeführten wasserstoffhaltigenGases gesteuert/geregelt, um die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigenGases in einen vorbestimmten Bereich zu steuern/zu regeln, derart,dass das wasserstoffhaltige Gas an der Anode nicht mit Wasser gesättigt wird.Das Abgas wird nicht von der Anode abgegeben, und die gewünschte Mengean wasserstoffhaltigem Gas wird der Anode zugeführt, um die Energieerzeugungstabil auszuführen.
    [0014] Gemäß einemAspekt der vorliegenden Erfindung wird der Befeuchtungsbetrieb desder Kathode zugeführtensauerstoffhaltigen Gases durch Betrieb des Umschaltventils gesteuert/geregelt,das mit der Bypasspassage verbunden ist, die parallel zu dem Befeuchterangeordnet ist. Somit werden die von der Kathode zur Anode diffundierteWassermenge und die sich von der Anode zur Kathode durch die Wasserstoffionenbewegende Wassermenge eingestellt.
    [0015] Dieobigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegendenErfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mitden beigefügtenZeichnungen näherersichtlich, in denen bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung anhandeines illustrativen Beispiels gezeigt sind.
    [0016] 1 ist ein Blockdiagramm,das schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführung dervorliegenden Erfindung zeigt;
    [0017] 2 zeigt ein Modell einesBrennstoffzellenstapels;
    [0018] 3 ist eine Ansicht mit Darstellungeiner Beziehung zwischen der Stöchiometriean einer Kathode und einer Feuchtigkeit an einer Anode;
    [0019] 4 ist eine Ansicht mit Darstellungeiner anderen Beziehung zwischen der Stöchiometrie an der Kathode undder Feuchtigkeit an der Anode;
    [0020] 5 ist ein Blockdiagrammmit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einerzweiten Ausführungder vorliegenden Erfindung;
    [0021] 6 ist ein Blockdiagrammmit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einerdritten Ausführungder vorliegenden Erfindung;
    [0022] 7 ist ein Blockdiagrammmit Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einervierten Ausführungder vorliegenden Erfindung; und
    [0023] 8 ist ein Blockdiagrammmit Darstellung eines herkömmlichenBrennstoffzellensystems.
    [0024] 1 ist ein Blockdiagrammmit Darstellung eines Brennstoffzellensystems 20 gemäß einerersten Ausführungder vorliegenden Erfindung. In 1 bezeichnendie doppelten Linien Gaspassagen, und die einfachen Linien bezeichnenelektrische Signalleitungen.
    [0025] DasBrennstoffzellensystem 20 enthält einen Brennstoffzellenstapel 22.Ein Brenngas, wie etwa Wasserstoffgas, und ein sauerstoffhaltigesGas, wie etwa Luft, werden dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt, umelektrische Energie zu erzeugen, die einer Last zugeführt wird.Der Brennstoffzellenstapel 22 ist durch Stapeln einer Mehrzahlvon Brennstoffzellen gebildet, die jeweils eine Anode 24,eine Kathode 26 und eine zwischen der Anode 24 undder Kathode 26 angeordnete Elektrolytmembrane 28 enthalten.Das Wasserstoffgas wird der Anode 24 zugeführt, unddie Luft wird der Kathode 26 zugeführt.
    [0026] DasWasserstoffgas wird in einem Tank 30 gespeichert. Das Wasserstoffgaswird von dem Tank 30 durch ein Ventil 32, einenRegulator 34, einen Wärmeaustauscher 36 undeine Pumpe 38 einem Einlass der Anode 24 zugeführt. DiePumpe 38 ist auch mit einem Auslass der Anode durch eineZirkulationspassage 40 verbunden. Ein Feuchtigkeitssensor42 zum Erfassen der Feuchtigkeit an der Anode 24 ist inder Zirkulationspassage 42 angeordnet. Das Ventil 32 wirdgeöffnet,wenn die Stromerzeugung gestartet wird, und geschlossen, wenn dieStromerzeugung beendet wird. Der Regulator 34 regelt den Druckdes der Anode 24 zugeführtenWasserstoffgases gemäß einemSteuersignal (Steuerwert), das von einem Wasserstoffdruckregler 44 ausgegebenwird. Die Temperatur des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgaseswird durch den Wärmeaustauscher 36 für die Stromerzeugungoptimiert. Die mit der Zirkulationspassage 40 verbundenePumpe 38 wird benutzt, um das von dem Auslass der Anode 24 abgegebene Wasserstoffgaszu dem Einlass der Anode 24 rückzuführen. Der Wasserstoff in demWasserstoffgas (Brenngas) wird an der Anode 24 teilweiseverbraucht. Der Wasserstoff, der an der Anode 24 nicht verbrauchtist, wird wieder dem Einlass der Anode 24 zugeführt.
    [0027] DieLuft wird durch einen Strömungsratensensor 46 einemKompressor 48 zugeführt.Die Luft wird durch den Kompressor 48 unter Druck gesetzt unddem Einlass der Kathode 26 durch einen Wärmeaustauscher 50 undeinen Befeuchter 52 zugeführt. Der Auslass der Kathode 25 istmit der Außenseitedurch ein Ventil und den Befeuchter 52 verbindbar. DerStrömungsratensensor 46 erfasstdie Strömungsrateder der Kathode 26 zugeführten Luft. Der Kompressor 48 reguliertdie Strömungsrateder der Kathode 26 zugeführten Luft entsprechend einem Steuersignal(Steuerwert), das von einem Strömungsratenregler 56 zugeführt wird.Die Temperatur der der Kathode 26 zugeführten Luft wird für die Stromerzeugungdurch den Wärmeaustauscher 50 optimiert.Der Befeuchter 52 befeuchtet die Luft unter Verwendungdes Wassers in dem von der Kathode 26 abgegebenen Abgas.Der Öffnungsgraddes Ventils 54 wird durch ein Steuersignal (Steuerwert),das von einem Luftdruckregler 58 ausgegeben wird, derartgeregelt, dass der Druck der der Kathode 26 zugeführten Luftreguliert werden kann.
    [0028] DasBrennstoffzellensystem 20 weist eine Laststromsetzeinheit 60 auf,um den Laststrom entsprechend der durch die Last benötigten elektrischen Energiemengezu bestimmen. Die Laststromsetzeinheit 60 steuert/regeltden Luftdruckregler 58 zum Zuführen der Druckluft zu der Kathode 26,um die der Last zugeführteerforderliche elektrische Energiemenge zu erzeugen. Der Luftdruckregler 58 steuert denWasserstoffdruckregler 44 zum Zuführen des Wasserstoffgases zuder Anode 24 derart, dass das Verhältnis des Drucks des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgasesin Bezug auf den Druck der der Kathode 26 zugeführten Luftoptimiert ist. Ferner steuert die Laststromsetzeinheit 60 denStrömungsratenregler 56 aufder Basis des Laststroms zum Regulieren der Strömungsrate der Luft derart,dass die Feuchtigkeit an der Anode 24 optimiert ist.
    [0029] DasBrennstoffzellensystem 20 gemäß der ersten Ausführung istgrundlegend so aufgebaut wie oben beschrieben. Als Nächstes wirdder Bestrieb des Brennstoffzellensystems 20 beschrieben.
    [0030] Zuerstbestimmt die Laststromsetzeinheit 60 einen der Last zugeführten Solllaststrom.Auf der Basis des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmtenSolllaststroms stellt der Luftdruckregler 58 den Öffnungsgraddes Ventils 54 ein, um den Druck der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luftzu regeln. Der Wasserstoffdruckregler 44 steuert den Regulator 34 an,um den Druck des der Anode 24 zugeführten Wasserstoffgases derartanzustellen, dass das Verhältnisdes Drucks des Wasserstoffs in Bezug auf den Druck der Luft aufden optimierten Pegel reguliert wird. Der Strömungsratenregler 56 regeltden Kompressor 48, um die Strömungsrate der dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luftauf der Basis von Parametern einzustellen, wie etwa der von demStrömungsratensensor 26 erfasstenStrömungsrateder Luft und der von dem Feuchtigkeitssensor 42 erfasstenFeuchtigkeit in dem Wasserstoffgas.
    [0031] Dasin dem Wasserstofftank 30 gespeicherte Wasserstoffgas wirddurch Öffnendes Ventils 32 dem Regulator 34 zugeführt. Nachdemder Druck des Wasserstoffgases durch den Regulator 34 geregelt wordenist, wird das Wasserstoffgas dem Wärmeaustauscher 36 zugeführt. Nachdemdie Temperatur des Wasserstoffgases durch den Wärmeaustauscher 36 reguliertworden ist, wird das Wasserstoffgas der Anode 24 für jede derBrennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 22 durch diePumpe 38 zugeführt. Nachdemdie Strömungsrateund der Druck der Luft auf der Basis des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmtenLaststroms reguliert sind, wird die Temperatur der Luft durch denWärmeaustauscher 50 geregelt,und die Feuchtigkeit der Luft wird durch den Befeuchter 52 geregelt.Dann wird die Luft der Kathode 26 für jede der Brennstoffzellendes Brennstoffzellenstapels 22 zugeführt.
    [0032] Dasdem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführte Wasserstoffgas wird indem durch die Katalysatorschicht der Anode 24 induziertenelektrochemischen Reaktion in Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronengespalten. Die Wasserstoffionen bewegen sich durch die Elektrolytmembranezu der Kathode 26 hin, und die Elektronen fließen durcheinen externe Schaltung zu der Kathode 26, um einen der Lastzugeführtenelektrischen Strom zu erzeugen. Die Luft wird der Kathode 26 zugeführt. Ander Kathode 26 verbinden sich die Wasserstoffionen vonder Anode 24 mit den Elektronen und Sauerstoff in der Luft,zur Erzeugung von Wasser.
    [0033] Nachemder Wasserstoff an der Kathode 26 teilweise verbrauchtist, werden die restliche Luft und das an der Kathode 26 erzeugteWasser als Abgas durch das Ventil 54 und den Befeuchter 52 zurAußenseiteausgegeben. Der Befeuchter 52 nutzt das Wasser in dem Abgaszum Befeuchten der der Kathode 26 zugeführten Luft. Auf diese Weisewird die Elektrolytmembrane 28 des Brennstoffzellenstapels 22 durchdas Wasser in der Luft geeignet befeuchtet. Das Wasser in der Luftund das währendder Stromerzeugung erzeugte Wasser werden zur Anode 24 diffundiert,um das Wasserstoffgas zu befeuchten, und das befeuchtete Wasserstofgaswird auch dazu genutzt, die Feuchtigkeit an der Elektrolytmembrane 28 aufdem gewünschtenPegel zu halten. Demzufolge wird die Stromerzeugung zuverlässig aufdem gewünschtenSpannungspegel ausgeführt.Nachdem der Wasserstoff an der Anode 24 teilweise verbraucht ist,wird das Wasserstoffgas durch die Pumpe 38 rückgeführt, umden restlichen Wasserstoff in dem Wasserstoffgas zu nutzen. Somitwird die effiziente Stromerzeugung kontinuierlich ausgeführt.
    [0034] Inder ersten Ausführungwird die Strömungsrateder dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführten Luft durch den Strömungsratenregler 56 reguliert.Ohne jeden Befeuchter in dem System zum Zuführen des Wasserstoffgases zuder Anode 24 wird die Feuchtigkeit des Wasserstoffgasesauf dem optimalen Pegel gehalten. Das Wasserstoffgas wird nichtverschwenderisch zur Außenseiteabgegeben. Die Stromerzeugung zum Zuführen elektrischer Energie zuder Last wird stabil auf dem gewünschten Spannungspegelausgeführt.
    [0035] 2 zeigt ein Modell des Brennstoffzellenstapels 22.Die Wassermenge, die von der Kathode 26 zur Anode 24 durchRückdiffusiondiffundiert wird, wird durch die folgende bekannte Gleichung (1)berechnet: γ = Dw(Hm) × (Cwc(Hc) – Cwa(Ha))/tm (1)wobei tmdie Dicke der Elektrolytmembrane 28 ist, Dw(Hm) der Wasserdiffusionskoeffizientin der Elektrolytmembrane 28 ist, Cwc(Hc) die Wasserdichtean der Grenze zwischen der Kathode 26 und der Elektrolytmembrane 28 ist,Cwa(Ha) die Wasserdichte an der Grenze zwischen der Anode 24 undder Elektrolytmembrane 28 ist. Der Wasserdiffusionskoeffizient Dw(Hm)ist von der Feuchtigkeit Hm in der Membranelektrodenanordnung 28 abhängig. DieWasserdichte Cwc(Hc) ist von der mittleren Feuchtigkeit an der Kathode 26 (KathodenfeuchtigkeitHc) abhängig.Die Wasserdichte Cwa(Ha) ist von der durchschnittlichen Feuchtigkeitan der Anode 28 (Anodenfeuchtigkeit Ha) abhängig.
    [0036] Diean der Anode 24 erzeugten Wasserstoffionen (Protonen) bewegensich zusammen mit den Wassermolekülen zu der Kathode 26 hin.Die Wassermenge, die sich durch elektroosmotischen Wassersog vonder Anode 24 zu der Kathode 26 bewegt, wird durchdie folgende bekannte Gleichung (2) berechnet: δ = nd(Hm) × M(I)wobeind(Hm) die Anzahl der ein Wasserstoffion begleitenden Wassermoleküle ist,M(I) die Molzahl der bewegenden Wasserstoffionen ist. Die Anzahlder Wasserstoffmolekülend(Hm) ist von der Feuchtigkeit Hm in der Elektrolytmembrane 28 abhängig, unddie Molzahl der bewegenden Wasserstoffionen M(I) ist von dem durchden Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Laststrom I abhängig.
    [0037] DasWasserstoffgas in der Zirkulationspassage 40, die die Passagezum Zuführendes Wasserstoffgases zu der Anode 24 enthält, mussgeeignet befeuchtet werden. Daher ist der Feuchtigkeitssensor 42 inder Zirkulationspassage 40 vorgesehen, um die durchschnittlicheFeuchte des Wasserstoffgases innerhalb eines vorbestimmten gewünschtenBereichs von weniger als 100 % zu regten.
    [0038] Diedurchschnittliche Feuchtigkeit (Anodenfeuchtigkeit) Ha des Wasserstoffgaseswird bestimmt durch die Differenz (γ – δ) zwischen der Wassermenge,die von der Kathode 26 zu der Anode 24 durch Rückdiffusiondiffundiert, und der Wassermenge, die sich von der Anode 24 zurKathode 26 durch den elektroosmotischen Wassersog bewegt.Die Differenz (γ – δ) wird mittelsder Gleichungen (1) und (2) berechnet und ist von der durchschnittlichenFeuchtigkeit Hc der der Kathode 26 zugeführten Luftabhängigund ist auch von dem durch den Brennstoffzellenstapel 22 erzeugtenLaststrom I abhängig.Die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc an der Kathode 26 kanngeregelt werden, indem die Strömungsrateder Luft reguliert wird, die von dem Kompressor 48 der Kathode 26 zugeführt wird.Wenn die Strömungsrate derder Kathode 26 zugeführtenLuft erhöhtwird, werden das an der Kathode 26 erzeugte Wasser unddas Abgas effizient zur Außenseiteabgegeben. Daher nimmt die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc ab. Wenndie Strömungsrateder der Kathode 26 zugeführten Luft gesenkt wird, wirddas Wasser nicht glattgängigzur Außenseiteabgegeben. Daher nimmt die durchschnittliche Feuchtigkeit Hc zu.
    [0039] 3 ist eine Ansicht mit Darstellungeiner Beziehung zwischen der StöchiometrieSc an der Kathode 26 und der Feuchtigkeit an der Anode 24 (AnodenfeuchtigkeitHa), wenn ein Laststrom I1 erzeugt wird. Die Stöchiometrie Sc an der Kathode 26 wird aufder Basis der der Kathode 26 zugeführten Luftmenge berechnet (dieder Kathode 26 zugeführte Luftmenge/diedurch Stromerzeugung verbrauchte Sauerstoffmenge in der Luft). Diedurchschnittliche Feuchtigkeit Hain am Einlass der Anode 24 unddie durchschnittliche Feuchtigkeit Haout am Auslass der Anode 24 werdenals die Anodenfeuchtigkeit Ha verwendet.
    [0040] 4 ist eine Ansicht mit Darstellungeiner anderen Beziehung zwischen der Stöchiometrie Sc an der Kathode 26 undder Feuchtigkeit an der Anode (Anodenfeuchtigkeit Ha), wenn einLaststrom I2 erzeugt wird. Der Wert des Laststroms I2 ist größer als derWert des Laststroms I1. Ähnlichwerden die durchschnittliche Feuchtigkeit Hain am Einlass der Anode 24 unddie durchschnittliche Feuchtigkeit Haout am Auslass der Anode 24 alsdie Anodenfeuchtigkeit Ha verwendet.
    [0041] DerStrömungsratenregler 56 verwendetz.B. die in den 3 und 4 gezeigten Beziehungen,die als Nachschlagetabelle gespeichert sind, zum Ansteuern des Kompressors 48.Insbesondere steuert der Strömungsratenregler 26 denKompressor 48 auf der Basis des Werts des Laststroms I,der durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmt ist, sowieder durchschnittlichen Feuchtigkeit des Wasserstoffgases an derAnode 24 (Anodenfeuchtigkeit Ha), die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasstist. Der Kompressor 48 reguliert die Strömungsrateder der Kathode 26 zugeführten Luft derart, dass dieStöchiometrieSc einen vorbestimmten Wert hat, um die Anodenfeuchtigkeit Ha innerhalbeines vorbestimmten gewünschtenBereichs (z.B. 70 bis 80 %) kleiner als 100 % zu halten. Sowohldie Kathode 26 als auch die Anode 24 des Brennstoffzellenstapels 22 werden durchdas der Kathode 26 zugeführte Wasser ausreichend befeuchtet.Demzufolge kann der Brennstoffzellenstapel 26 die Stromerzeugungeffizient ausführen.
    [0042] DieStrömungsrateder der Kathode 26 zugeführten Luft wird derart reguliert,dass die KathodenstöchiometrieSC einen ausreichenden Wert hat, um zu ermöglichen, dass der Brennstoffzellenstapel 22 denerforderlichen Laststrom I erzeugt. Gleichzeitig wird die KathodenstöchiometrieSC derart reguliert, dass die Anodenfeuchtigkeit Ha einen hohenWert, um die zum Antrieb des Kompressors 48 benötigte elektrischeEnergie zu minimieren. Somit wird die in dem Brennstoffzellenstapel 22 erzeugteelektrische Energie nicht verschwenderisch verbraucht.
    [0043] 5 ist eine Ansicht mit Darstellungeines Brennstoffzellensystems 70 gemäß einer zweiten Ausführung dervorliegenden Erfindung. Die Bauteile, die mit jenen des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 20 identischsind, sind mit der gleichen Bezugszahl markiert, und eine Beschreibungdavon wird weggelassen.
    [0044] DasBrennstoffzellensystem 70 hat eine Bypasspassage 72 zumAbführendes Abgases von dem Auslass der Kathode 26 des Brennstoffzellenstapels 22,ohne durch den Befeuchter 52 hindurchzutreten. Ein Schaltventil 74 istin der Bypasspassage 72 angeordnet. Das Schaltventil 74 wirddurch einen Ventilregler 76 auf der Basis der von dem Feuchtigkeitssensor 42 erfasstendurchschnittlichen Feuchtigkeit des Wasserstoffgases (AnodenfeuchtigkeitHa) und des Laststroms I geöffnetoder geschlossen. Der Strömungsratenregler 78 reguliertdie Strömungsrateder Luft durch Regeln des Kompressors 48, um den gewünschtenPegel der KathodenstöchiometrieSC zu erreichen, der ausreicht, um den durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmtenLaststrom I zu erzeugen.
    [0045] Indem Brennstoffzellensystem 70 wird der Ventilregler 74 derartangesteuert, dass die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasstedurchschnittliche Feuchtigkeit des Wasserstoffgases (AnodenfeuchtigkeitHa) in einem vorbestimmten gewünschtenBereich gehalten wird (z.B. 60 bis 70 %).
    [0046] Insbesonderewenn die durch den Feuchtigkeitssensor 42 erfasste AnodenfeuchtigkeitHa zunimmt, öffnetder Ventilregler 26 das Schaltventil 74 zum direktenAbgeben des Abgases zur Außenseite, d.h.durch die Bypasspassage 72. Das an der Kathode 26 erzeugteWasser wird glattgängigzur Außenseiteabgegeben und daher nimmt die Feuchtigkeit an der Kathode 26 ab.Demzufolge nimmt die von der Kathode 26 zur Anode 24 diffundierteWassermenge ab, und die Anodenfeuchtigkeit Ha wird auf den Optimalwertreguliert, um Wasserkondensation zu verhindern. Wenn die AnodenfeuchtigkeitHa unter einen vorbestimmten Wert abnimmt, wird das Schaltventil 74 geschlossenund das von der Kathode 26 abgegebene Abgas wird dem Befeuchter 52 zugeführt. Der Befeuchter 52 verwendetdas Wasser in dem Abgas, um die der Kathode 26 zugeführte Luftzu befeuchten. Das Wasser wird von der Kathode 26 zur Anode 24 diffundiert.Auf diese Weise wird die Anodenfeuchtigkeit Ha in dem gewünschtenBereich gehalten.
    [0047] Wieoben beschrieben, wird der Ventilregler 76 dazu verwendet,das Schaltventil 74 zu öffnen oderzu schließen.Der Öffnungsgraddes Schaltventils 74 kann in Abhängigkeit von der Feuchtigkeitdes Wasserstoffgases eingestellt werden, und das Verhältnis desdurch den Befeuchter 52 tretenden Abgases und des durchdie Bypasspassage 72 tretenden Abgases kann eingestelltwerden.
    [0048] Inden ersten und zweiten Ausführungenwird der mit der Zirkulationspassage 40 verbundene Feuchtigkeitssensor 42 verwendet,um die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases direkt zu erfassen. Die Strömungsrateder Luft wird auf der Basis des erfassten Werts reguliert. In eineralternativen Ausführung kanndie Feuchtigkeit an der Anode 24 ohne den Feuchtigkeitssensor 42 reguliertwerden, sodass Wasserkondensation nicht auftritt.
    [0049] Insbesonderewird bei jedem möglichen Laststrompegel(z.B. mit einem Intervall von 0,1 A) die Stromerzeugungsleistungdes Brennstoffzellenstapels 22 gemessen, indem verschiedeneBedingungen verändertwerden, wie etwa die Feuchtigkeit an der Anode 24, dieFeuchtigkeit an der Kathode 26 (die der Kathode 26 zugeführte Wassermenge),der Druck, die Strömungsrateund die Temperatur des Wasserstoffgases und der Luft zum Bestimmender optimalen Bedingungen zum zuverlässigen Ausführen der effizienten Stromerzeugung,ohne Wasserkondensation). Es wird nämlich die optimale Stromerzeugungsbedingungin Abhängigkeitvom Pegel des Laststroms bestimmt. Die Datentabelle der optimalenStromerzeugungsbedingung (Beziehung zwischen dem gemessenen Druck,der Strömungsrate, Temperaturund den optimalen Steuer/Regelwerten) wird benutzt, um die Steuerwerteohne Erfassung der Feuchtigkeit zu bestimmen, um den Brennstoffzellenstapel 22 zusteuern/zu regeln, um die optimale Stromerzeugung auszuführen.
    [0050] Dieoptimale Stromerzeugungsbedingung während der signifikanten Änderungdes Laststroms wird ebenfalls bestimmt. Z.B. werden die Beziehungenzwischen dem gemessenen Druck, der Strömungsrate, der Temperatur undder Änderungder optimalen Steuerwerte pro Zeiteinheit programmiert, und derBrennstoffzellenstapel 22 wird entsprechend dem Programmangesteuert, um die optimale Stromerzeugung auszuführen.
    [0051] 6 ist eine Ansicht mit Darstellungeines Brennstoffzellensystems 80 gemäß einer dritten Ausführung dervorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 80 hatim Wesentlichen die gleiche Struktur wie das Brennstoffzellensystem 20 gemäß der erstenAusführung,unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 20 aberdarin, dass das Brennstoffzellensystem 20 nicht den in 1 gezeigten Feuchtigkeitssensor 42 enthält. DieBauteile, die mit jenen des in 1 gezeigtenBrennstoffzellensystems 20 identisch sind, sind mit dergleichen Bezugszahl markiert, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
    [0052] DerAnodenfeuchtigkeitsregler 82 verwendet eine Datentabellezum Steuern/Regeln der Feuchtigkeit an der Anode 24. DieDatentabelle enthälteine Beziehung zwischen dem Pegel des durch die Laststromsetzeinheit 60 bestimmtenLaststroms und der durch den Strömungsratenregler 56 bestimmtenerforderlichen Luftströmungsrate,den Druck und der Temperatur der Luft und des Wasserstoffgases oder dgl.,d.h. die optimale Betriebsbedingung, in der Wasserkondensation ander Anode 24 nicht auftritt. Parameter wie etwa der Druckund die Temperatur könnendurch Sensoren an dem Brennstoffzellensystem 80 erhaltenwerden.
    [0053] Nachdemder gewünschteLaststrom bestimmt ist, liefert der Anodenfeuchtigkeitsregler 82 gemäß der DatentabelleStrömungsratendatender Luft, die keine Wasserkondensation hervorrufen, zu dem Strömungsratenregler 56 zumBetreiben des Kompressors 48, und liefert die Strömungsratendatendes Wasserstoffgases, die keine Wasserkondensation hervorrufen,zu dem Pumpenregler 84 zum Betreiben der Pumpe 38.Auf diese Weise kann der Brennstoffzellenstapel 22 deneffizienten Betrieb stabil ausführen.
    [0054] 7 ist eine Ansicht einerDarstellung eines Brennstoffzellensystems 90 gemäß einervierten Ausführungder vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 90 hatim Wesentlichen die gleiche Struktur wie das Brennstoffzellensystem 70 derzweiten Ausführung,unterscheidet sich von dem Brennstoffzellensystem 70 jedochdarin, dass das Brennstoffzellensystem 90 nicht den in 5 gezeigten Feuchtigkeitssensor 42 enthält. DieBauteile, die mit jenen des in 5 gezeigtenBrennstoffzellensystems 70 identisch sind, sind mit dengleichen Bezugszahlen markiert, und eine Beschreibung davon wird weggelassen.
    [0055] DerAnodenfeuchtigkeitsregler 92 verwendet eine Datentabellezum Steuern/Regeln der Feuchtigkeit an der Anode 24. DieDatentabelle enthälteine Beziehung zwischen dem Pegel des von der laststromsetzeinheit 60 bestimmtenLaststroms und dem durch den Ventilregler 76 bestimmtenSchaltzyklus des Schaltventils 74, der erforderlichen Strömungsratedes Wasserstoffgases, die durch den Pumpenregler 94 zumSteuern/Regeln der Pumpe 38 bestimmt ist, sowie dem Druckund der Temperatur der Luft und des Wasserstoffgases oder dgl.,d.h. die optimale Betriebsbedingung, in der Wasserkondensation ander Anode 24 nicht auftritt. Z.B. wird der Parameter desSchaltzyklus durch den Ventilregler 76 auf der Basis dererforderlichen Feuchtigkeit an der Kathode 26 bestimmt.Die Feuchtigkeit an der Kathode 26 wird durch Zuführen derLuft zu dem Befeuchter 52 reguliert.
    [0056] Nachdemder gewünschteLaststrom bestimmt ist, liefert, gemäß der Datentabelle, der Anodenfeuchtigkeitsregler 92 dieDaten des Schaltzyklus, die keine Wasserkondensation an dem Ventilregler 76 hervorrufen,um das Schaltventil 74 zu öffnen und zu schließen, undliefert die Strömungsratendatendes Wasserstoffgases zu dem Pumpenregler 94 zum Betreibender Pumpe 38. Somit kann der Brennstoffzellenstapel 22 diestabile Stromerzeugung ausführen.
    [0057] Wieoben beschrieben, wird in den ersten bis vierten Ausführungendas an der Kathode 26 bei der Stromerzeugung erzeugte Wasserzu der Anode 24 hin diffundiert. Das Wasserstoffgas wirdausreichend befeuchtet, ohne Wasserkondensation hervorzurufen. Somitkann der Brennstoffzellenstapel 22 die Stromerzeugung inder optimierten Betriebsbedingung ausführen. Die der Last zugeführte elektrische Energiekann effizient erzeugt werden.
    [0058] Obwohldas Wasser zu der Anode 24 diffundiert wird, um das Wasserstoffgaszu befeuchten, tritt an der Anode 24 keine Wasserkondensationauf. Es ist nicht erforderlich, das überschüssige Wasser von der Anodenseitezusammen mit dem Wasserstoffgas abzuführen. Somit wird das Wasserstoffgasin der Stromerzeugung effizient genutzt.
    [0059] Alsder Feuchtigkeitssensor 42 wird ein Feuchtigkeitsmesseroder ein Taupunktmesser verwendet. Wenn der Taupunktmesser verwendetwird, dann wird der gemessene Taupunkt in den Wert der Feuchtigkeitgeeignet umgewandelt, da der Taupunkt und die relative Feuchtigkeitin direkter Beziehung stehen. Gemäß der vorliegenden Erfindungist es auch bevorzugt, dass der Taupunkt an der Anode 24 aufder Basis des durch den Feuchtigkeitssensor 42 erhaltenenErfassungswert reguliert wird.
    [0060] EinFeuchtigkeitssensor (42) ist in einer Zirkulationspassage(40) als Passage von Wasserstoffgas, das einer Anode (24)eines Brennstoffzellenstapels (22) zugeführt wird,angeordnet. Eine Laststromsetzeinheit (60) bestimmt einenPegel des einer Last zugeführtenelektrischen Stroms. Ein Strömungsratenregler(56) steuert/regelt einen Kompressor (48) aufder Basis der durch den Feuchtigkeitssensor (42) erfasstenFeuchtigkeit und des durch die Laststromsetzeinheit (60)erfassten Laststroms, um eine Strömungsrate der einer Kathode(26) des Brennstoffzellenstapels (22) zugeführten Luftzu regulieren, um die Feuchtigkeit des Wasserstoffgases innerhalbeines vorbestimmten Bereichs von weniger als 100 % zu halten. DerBrennstoffzellenstapel (22) erzeugt den Laststrom effizient,ohne das Wasserstoffgas zur Außenseiteabzugeben.
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle(22) mit einer Anode (24) und einer Kathode (26)umfasst, worin ein wasserstoffhaltiges Gas der Anode (24)zugeführtwird und ein sauerstoffhaltiges Gas der Kathode (26) zugeführt wird,um einen Laststrom zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystemferner umfasst: einen Befeuchter (52) zum Befeuchtendes der Kathode (26) der Brennstoffzelle (22)zugeführtensauerstoffhaltigen Gases; einen Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsratenregler (56)zum Steuern/Regeln einer Strömungsratedes der Kathode (26) zugeführten sauerstoffhaltigen Gasesderart, dass die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigen Gases innerhalbeines vorbestimmten Bereichs von weniger als 100 % gehalten wird.
    [2] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, das fernereinen Feuchtigkeitssensor (42) umfasst, um die Feuchtigkeitdes wasserstoffhaltigen Gases zu erfassen.
    [3] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, das fernereine Zirkulationspassage (40) umfasst, um das wasserstoffhaltigeGas zu zirkulieren, um das wasserstoffhaltige Gas der Anode (24)zuzuführen,worin der Feuchtigkeitssensor (42) in der Zirkulationspassage(40) angeordnet ist.
    [4] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend:eine Zirkulationspassage (40) zum Zirkulieren des Wasserstoffgases,um das wasserstoffhaltige Gas der Anode (24) zuzuführen; undeinen Wasserstoffhaltiges-Gas-Strömungsratenregler (84),worin der Sauerstoffhaltiges-Gas-Strömungsratenregler (56)eine Strömungsratedes der Kathode (26) zugeführten sauerstoffhaltigen Gasessteuert/regelt und der Wasserstoffhaltiges-Gas- Strömungsratenregler(84) eine Strömungsratedes der Anode (24) zugeführten wasserstoffhaltigen Gasessteuert/regelt, derart, dass die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigenGases in einem vorbestimmten Bereich von weniger als 100 % gehaltenwird.
    [5] Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle(22) mit einer Anode (24) und einer Kathode (26)umfasst, worin ein wasserstoffhaltiges Gas der Anode (24)zugeführtwird und ein sauerstoffhaltiges Gas der Kathode (26) zugeführt wird,um einen Laststrom zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystemferner umfasst: einen Befeuchter (52) zum Befeuchtendes der Kathode (26) der Brennstoffzelle (22)zugeführtensauerstoffhaltigen Gases; und ein Schaltventil (74); eineBypasspassage (72) als Passage des den Befeuchter (52)umgehenden sauerstoffhaltigen Gases; und einen Ventilregler(76) zum Steuern/Regeln des Schaltventils (74)derart, dass das sauerstoffhaltige Gas selektiv durch den Befeuchter(52) und die Bypasspassage (72) hindurchtritt,um die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigen Gases in einem vorbestimmtenBereich von weniger als 100 % zu halten.
    [6] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, das fernereinen Feuchtigkeitssensor (42) umfasst, um die Feuchtigkeitdes wasserstoffhaltigen Gases zu erfassen, worin der Ventilregler(76) eine Strömungsratedes durch den Befeuchter (52) oder die Bypasspassage (72)strömendensauerstoffhaltigen Gases steuert/regelt, um die Feuchtigkeit deswasserstoffhaltigen Gases in einem vorbestimmten Bereich von wenigerals 100 % zu halten.
    [7] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, das fernereine Zirkulationspassage (40) umfasst, um das wasserstoffhaltigeGas zu zirkulieren, um das wasserstoffhaltige Gas der Anode (24)zuzuführen,worin der Feuchtigkeitssensor (42) in der Zirkulationspassage(40) angeordnet ist.
    [8] Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, ferner umfassend: eineZirkulationspassage (40) zum Zirkulieren des wasserstoffhaltigenGases zum Zuführendes wasserstoffhaltigen Gases zu der Anode (24); und einenWasserstoffhaltiges-Gas-Strömungsratenregler(94) zum Steuern/Regeln einer Strömungsrate des durch die Zirkulationspassage(40) zirkulierenden wasserstoffhaltigen Gases, worinder Ventilregler (76) eine Strömungsrate des der Kathode (26)zugeführtensauerstoffhaltigen Gases steuert/regelt und der Wasserstoffhaltiges-Gas-Strömungsratenregler(94) eine Strömungsratedes der Anode (24) zugeführten wasserstoffhaltigen Gasessteuert/regelt, derart, dass die Feuchtigkeit des wasserstoffhaltigenGases in einem vorbestimmten Bereich von weniger als 100 % gehalten wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JP4886170B2|2012-02-29|
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2004-10-21| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2011-11-08| R016| Response to examination communication|
    2017-01-13| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2017-02-21| R003| Refusal decision now final|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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