Brennstoffzellen-System und Fahrzeug mit darin eingebautem Brennstoffzellen-System

专利摘要:
Das Brennstoffzellen-System der Erfindung enhält ein röhrenförmiges Schaltelement 70 mit Spalten 70a, das deren Stellung verändert, wodurch der Öffnungsbereich der Auslässe von Oxidationsgasleitungen 36 in einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30, die einen Brennstoffzellen-Stapel 20 bilden, variiert wird. Das System umfaßt ferner eine Antriebswalze 74 und einen Schrittmotor 79, die dazu dienen, die Stellung der Spalten 70a zu verändern. Eine elektronische Steuereinheit steuert die Drehung des Schrittmotors 79, so daß er das röhrenförmige Schaltelement 70 zuerst so betätigt, daß der Öffnungsbereich der Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 auf Null oder in Richtung Null verengt wird und daß anschließend der Öffnungsbereich der Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 erweitert wird, wodurch in den Oxidationsgasleitungen 36 ein Stoß erzeugt wird. Wassertröpfchen, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagen haben, werden auf diese Weise mit hohem Wirkungsgrad zu den Auslässen geleitet. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keine Umgehungsleitung in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30. Für den kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird der Rahmen einer Brennstoffzellen-Einheit 30 verwendet, die den bereits vorhandenen entspricht, und der Brennstoffzellen-Stapel 20 wird nicht wesentlich vergrößert.
公开号:DE102004015606A1
申请号:DE200410015606
申请日:2004-03-30
公开日:2004-12-16
发明作者:Shinichi Toyota Matsumoto；Haruyuki Toyota Nakanishi；Tomoaki Toyota Nakashima
申请人:Toyota Motor Corp；
IPC主号:H01M8-24

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System und einFahrzeug mit diesem Brennstoffzellen-System. Genauer betrifft dieErfindung ein Brennstoffzellen-System, das eine Brennstoffzelleeinschließt,die Strom erzeugt, und zwar durch die elektrochemische Reaktionvon Sauerstoff, der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch einean der Kathodenseite bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, undWasserstoff, der in einem gasförmigenBrennstoff enthalten ist, der durch eine an der Anodenseite bereitgestellteBrenngasleitung strömt,sowie ein Fahrzeug, in dem das Brennstoffzellen-System installiertist.
[0002] Einbekanntes Brennstoffzellen-System umfaßt: Brennstoffzellen, die Stromerzeugen, und zwar durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, derin einem Oxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseitejeder Elektrolytmembran bereitgestellte Oxidationsgasleitung strömt, mitWasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durch einean der Anodenseite der Elektrolytmembran bereitgestellte Brenngasleitungströmt;Umgehungsleitungen, die parallel zu den Gasleitungen in den einzelnenBrennstoffzellen angeordnet sind; und Druckschaltventile, die jeweilsin den Umgehungsleitungen angeordnet sind und einen Ventiltelleraufweisen, der im Normalzustand von einer Feder in die Schließstellunggedrücktwird (siehe beispielsweise 1 vonPatent Application Gazette No 2002-151113). Wenn Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, den ungehinderten Gasstromin der Gasleitung stören, übersteigtin diesem Brennstoffzellen-System des Standes der Technik die Kraft,die auf den Druckunterschied zwischen dem Eingangsdruck und demAusgangsdruck der Gasleitung zurückgeht,die Federkraft des Druckschaltventils, so daß das Druckschaltventil sich öffnet. DasGas strömtdann vom Einlaß derGasleitung durch die Umgehungsleitung zum Auslaß der Gasleitung. Dadurch nimmtder Druckunterschied zwischen dem Eingangsdruck und dem Ausgangsdruckallmählichab, bis das Druckschaltventil sich schließlich wieder schließt. Durchdie wiederholte Auf- und Zubewegung des Ventils werden die Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, hinaus befördert.
[0003] DieserAufbau des Standes der Technik erfordert in jeder Brennstoffzelleeine Umgehungsleitung zusätzlichzur Gasleitung und vergrößert dadurchleider die Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-System. Wenn Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, den ungehindertenGasstrom in der Gasleitung stören, öffnet sich indiesem Brennstoffzellen-System das Druckschaltventil, damit dasGas durch die Umgehungsleitung strömt. Das Druckschaltventil schließt sichals Antwort auf einen Abfall des Eingangsdrucks. Der erhöhte Eingangsdruckwird einfach dadurch gesenkt, daß das Gas durch die Umgehungsleitungströmt.In dieser Anordnung werden die Wassertröpfchen, die sich in der Gasleitungniedergeschlagen haben, nicht effizient zum Auslaß geführt.
[0004] Angesichtsder Nachteile des oben erörtertenVerfahrens des Standes der Technik ist es das Ziel dieser Erfindung,ein Brennstoffzellen-System bereitstellen, das Wassertröpfchen,die sich in Gasleitungen niedergeschlagen haben, nach draußen befördert, ohnedas Brennstoffzellen-System zu vergrößern. Ziel der Erfindung istes auch, ein Brennstoffzellen-System bereitzustellen, das Wassertröpfchen,die sich in Gasleitungen niedergeschlagen haben, effizient nachdraußenbefördert.Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Fahrzeugs,in dem solch ein Brennstoffzellen-System installiert ist.
[0005] Einerstes Brennstoffzellen-System der vorliegenden Erfindung ist einSystem, das folgendes beinhaltet: eine Brennstoffzelle, die elektrischen Stromerzeugt, und zwar durch eine elektrochemische Reaktion von Sauerstoff,der in einem Oxidationsgas enthalten ist, das in einer an der Kathodenseitebereitgestellten Oxidationsgasleitung strömt, und Wasserstoff, der ineinem Brenngas enthalten ist, das durch eine an der Anodenseitebereitgestellte Brenngasleitung strömt; ein Schaltelement, dasden Auslaß mindestenseiner von der Oxidationsgasleitung und der Brenngasleitung öffnet undschließt; undein Betätigungsmodul,das dieses Schaltelement so betätigt,daß esden Auslaß dermindestens einen Gasleitung öffnetund schließt.
[0006] ImBrennstoffzellen-System der Erfindung betätigt das Betätigungsmoduldas Schaltelement, um den Auslaß derGasleitung zu öffnenund zu schließen.Diese Anordnung zeigt ein gutes Antwortverhalten beim Steuern desInnendrucks der Gasleitung und gewährleistet, daß die Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, effizient zumAuslaß befördert werden.Der Aufbau dieser Ausführungsformerfordert keinerlei Umgehungsleitung, im Gegensatz zum Aufbau desgenannten Patentdokuments 1. Fürden kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Rahmen verwendet,der dem der bereits existierenden Brennstoffzellen entspricht undder das Brennstoffzellen-System nicht nennenswert vergrößert.
[0007] Ineiner bevorzugten Ausführungsformder Erfindung umfaßtdas Brennstoffzellen-System: einen Brennstoffzellen-Stapel, deraus einer Anzahl von übereinandergeschichteten Brennstoffzellen besteht; und ein Abgassammelrohr,das mit dem Auslaß dermindestens einen Gasleitung verbunden ist, die in jeder der Brennstoffzellenenthalten ist, und ein Schaltelement, das in diesem Abgassammelrohrangeordnet ist. Diese Anordnung gewährleistet die effiziente Ableitungvon Wassertröpfchen,die sich in den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen niedergeschlagenhaben, aus denen der Brennstoffzellen-Stapel besteht. Das Schaltelementist im vorhandenen Abgassammel rohr angeordnet und vergrößert dieBrennstoffzelle daher nicht. Bei dem Abgassammelrohr kann es sichum ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr handeln, das mit den Auslässen dereinzelnen Oxidationsgasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellenenthalten sind, oder um ein Brenngas-Abgassammelrohr, das mit denAuslässen dereinzelnen Brenngasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellenenthalten sind. In einem Anwendungsbeispiel dieser Ausführungsformkann der Brennstoffzellen-Stapelin mehrere Brennstoffzellen-Blöckeunterteilt sein, wobei jeder der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke mehrereBrennstoffzellen enthält,kann in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke ein Oxidationsgas-Abgassammelrohrbereitgestellt sein und mit den Auslässen der einzelnen Oxidationsgasleitungender mehreren Brennstoffzellen verbunden sein, die in jedem Brennstoffzellen-Blockenthalten sind, und kann in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke einBrenngas-Abgassammelrohr bereitgestellt sein und mit den Auslässen dereinzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbundensein, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind. Die einzelnenzum Brennstoffzellen-Stapel geschichteten Brennstoffzellen enthaltenhäufigunterschiedliche Wassermengen. In diesem Anwendungsbeispiel istder Brennstoffzellen-Stapel somit in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke unterteilt,und aus jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke kann das enthaltene Wasser hinausbefördertwerden.
[0008] Ineinem bevorzugten Anwendungsbeispiel der Erfindung weist das Schaltelementim Brennstoffzellen-System einen Spalt auf, und wenn ein anderer Bereichdes Schaltelements als der Spalt gegenüber dem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung angeordnet wird, wird der Öffnungsbereich des Gasleitungsauslassesauf Null oder auf nahezu Null verengt, während dann, wenn der Spaltdes Schaltelements gegenüberdem Auslaß dermindestens einen Gasleitung angeordnet wird, der Öffnungsbereich desGasleitungsauslasses erweitert wird. Durch das einfache Wechselnder Lagebeziehung zwischen dem Spalt, der im Schaltelement ausgebildetist, und dem Gasleitungsauslaß wirdein Stoß inder Gasleitung erzeugt. Die Merkmale der Erfindung werden somitvon diesem relativ einfachen Aufbau verwirklicht. Als eine Modifikationdieses Anwendungsbeispiels kann es sich bei dem Schaltelement umein röhrenförmiges Schaltelementhandeln, dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar ineinem Abgassammelrohr angeordnet ist, das mit dem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung verbunden ist. Die Lagebeziehung zwischen dem Spaltdes Schaltelements und dem Auslaß der Gasleitung kann durcheine relativ einfache Drehbetätigungdes röhrenförmigen Schaltelementsverändert werden.
[0009] Ineiner weiteren bevorzugten Ausführungsformder Erfindung umfaßtdas Brennstoffzellen-System ferner ein Betätigungssteuerungsmodul, welchesdas Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Schaltelement so betätigt,daß eszuerst den Öffnungsbereichdes Auslasses der mindestens einen Gasleitung auf Null oder nahezuNull verengt, und dann den Öffnungsbereichdes Auslasses der Gasleitung erweitert, wodurch in der Gasleitungein Stoß erzeugtwird. Bei dieser Vorgehensweise wird der Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasseszuerst auf Null oder nahezu Null verengt, um den Innendruck derGasleitung zu erhöhen,und anschließendwird der Öffnungsbereicherweitert. Das unter Druck gesetzte Gas strömt auf diese Weise kraftvolldurch die Gasleitung. Dieser in der Gasleitung erzeugte Stoß drückt dieWassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, wirkungsvollzum Auslaß.
[0010] Ineiner bevorzugten Ausführungsformdes Brennstoffzellen-Systems der Erfindung, welches ein Betätigungssteuerungsmodulaufweist, steuert das Betätigungssteuerungsmoduldas Betätigungsmodul so,daß einStoß inder mindestens einen Gasleitung je nach dem Zustand des Wasserniederschlagsin der Gasleitung erzeugt wird. Diese Anordnung stellt eine angemesseneAbleitung von Wassertröpfchen sicher,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Der „Zustanddes Wasserniederschlags" kannals Antwort auf ein Erfassungssignal von einem Meßfühler bestimmtwerden, welcher die Wassertröpfchenerfaßt,die sich aktuell in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Bei eineranderen geeigneten Vorgehensweise wird eine physikalische Größe (beispielsweisedie Temperatur, die Luftfeuchtigkeit oder der Ausgangsleistungsstatus)der Brennstoffzelle gemessen, wenn ein Niederschlag von Wassertröpfchen inder Gasleitung gegeben ist, und der „Zustand des Wasserniederschlags" wird aufgrund der beobachtetenphysikalischen Größe bestimmt.
[0011] Ineinem weiteren bevorzugten Anwendungsbeispiel für das Brennstoffzellen-System der Erfindung,welches ein Betätigungssteuerungsmodul aufweist,steuert das Betätigungssteuerungsmodul dasBetätigungsmodul,um entweder dann, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleein vorgegebenes Ausgangsleistungsniveau überschreitet oder wenn dieHöhe derIntegralleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Leistungsniveau überschreitet, einenStoß inder mindestens einen Gasleitung zu erzeugen. Diese Anordnung erzeugteine effiziente Stoß inder Gasleitung und bewirkt eine angemessene Ableitung der Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, wenn eine hoheAusgangsleistung der Brennstoffzelle oder eine hohe Integralleistungder Brennstoffzelle gegeben ist, die häufig zu einem Niederschlagvon Wassertröpfchenin der Gasleitung führt.Hier könnendas "vorgegebeneAusgangsleistungsniveau" unddas "vorgegebeneLeistungsniveau" gemäß der Höhe der Ausgangsleistungund der Integralleistung der Brennstoffzelle unter Bedingungen einesNiederschlags von Wassertröpfchenin der Gasleitung eingestellt werden. Das Betätigungssteuerungsmodul kanndas Betätigungsmodulsso steuern, daß eseinen Stoß inder mindestens einen Gasleitung erzeugt, wenn die Ausgangsleistungder Brennstoffzelle das vorgegebene Ausgangsleistungsniveau überschreitetund wenn die der Höheder Integralleistung der Brennstoffzelle das vorgegebene Leistungsniveau überschreitet.
[0012] Alseine Modifikation kann das Brennstoffzellen-System der Erfindungmit dem Betätigungssteuerungsmodulferner ein Speichermodul enthalten, welches das Ausgangsleistungsverhaltender Brennstoffzelle speichert, wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlag in der mindestens einenGasleitung gegeben ist. Das Betätigungssteuerungsmodulsteuert das Betätigungsmodul,um einen Stoß inder Gasleitung zu erzeugen, wenn das beobachtete Ausgangsleistungsverhalteneiner in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle im wesentlichen mitdem im Speichermodul gespeicherten Ausgangsleistungsverhalten übereinstimmt.Bei dieser Vorgehensweise wird das Ausgangsleistungsverhalten derBrennstoffzelle bei gegebenem Wassertröpfchen-Niederschlag in derGasleitung (beispielsweise eine Zeitvariation der Ausgabespannung)mit dem beobachteten Ausgangsleistungsverhalten einer in Betriebbefindlichen Brennstoffzelle verglichen, und es wird demgemäß festgestellt,ob ein Niederschlag von Wassertröpfchenin der Gasleitung gegeben ist.
[0013] Ineinem weiteren bevorzugten Anwendungsbeispiel für das Brennstoffzellen-System der Erfindung,welches ein Betätigungssteuerungsmodul aufweist,steuert das Betätigungssteuerungsmodul dasBetätigungsmodul,um in regelmäßigen Abständen einenStoß inder mindestens einen Gasleitung zu erzeugen. Diese relativ einfacheSteuerung bewirkt eine wirksame Ableitung der Wassertröpfchen, diesich in der Gasleitung niedergeschlagen haben. Hier kann ein "regelmäßiger Abstand" jeder vorgegebeneZeitraum fürden Niederschlag von Wassertröpfchenin der Gasleitung währenddes Betriebs der Brennstoffzelle sein, der empirisch bestimmt wird.
[0014] Einzweites Brennstoffzellen-System der vorliegenden Erfindung ist einSystem, das folgendes umfaßt:eine Brennstoffzelle, die elektrischen Strom erzeugt, und zwar durchdie elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einem Oxidationsgasenthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite bereitgestellteOxidationsgasleitung strömt,mit Wasserstoff, der in einem gasförmigen Brennstoff enthaltenist, der durch eine an der Anodenseite bereitgestellte Brenngasleitungströmt;einen Brennstoffzellen-Stapel,bei dem es sich um eine Anzahl von übereinander geschichteten Brennstoffzellenhandelt und der in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke aufgeteilt ist, wobei jederBrennstoffzellen-Block mehrere Brennstoffzellen einschließt; Oxidationsgas-Abgassammelrohre,von denen jedes mit den Ausgängender einzelnen Oxidationsgasleitungen der mehreren Brennstoffzellenverbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind;Brennstoff-Abgassammelrohre, von denen jedes mit den Auslässen dereinzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen verbundenist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Regulierungsmodule,von denen jedes einen Auslaßöffnungsbereich mindestenseines von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brennstoff-Abgassammelrohr injedem Brennstoffzellen-Block reguliert; und ein Betätigungsmodul,das die Regulierungsmodule betätigt.
[0015] DiesesBrennstoffzellen-System der Erfindung reguliert den Öffnungsbereichmindestens eines von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und dem Brenngas-Abgassammelrohrin jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke. Die einzelnen zum Brennstoffzellen-Stapelgeschichteten Brennstoffzellen enthalten häufig unterschiedliche Wassermengen.In diesem Anwendungsbeispiel ist der Brennstoffzellen-Stapel somitin mehrere Brennstoffzellen-Blöckeunterteilt, und aus jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke kanndas enthaltene Wasser hinaus befördertwerden. Die Wassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, werden auf dieseWeise effizient zum Auslaß jedesder Brennstoffzellen-Blöckebefördert.Der Aufbau dieser Ausführungsformerfordert keinerlei Umgehungsleitung, im Gegensatz zum Aufbau desgenannten Patentdokuments 1. Fürden kennzeichnenden Aufbau der Erfindung wird ein Brennstoffzellen-Rahmenverwendet, der dem der bereits existierenden Brennstoffzellen entsprichtund der das Brennstoffzellen-System nicht nennenswert vergrößert.
[0016] Ineiner Ausführungsformder Erfindung enthältdas Brennstoffzellen-System weiter: ein Parameter-Meßmodul,das einen Parameters mißt,der sich auf die Höhedes Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht;ein Wassermengen-Bestimmungsmodul, welches aufgrund des vom Parameter-Meßmodul gemessenenParameters die Höhe desWassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul,welches das Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Regulierungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block,der laut Wassermengen-Bestimmungsmodul einen zu hohen Wassergehaltaufweist, so betätigt,daß derAuslaßöffnungsbereichdes mindestens einen Abgassammelrohrs größer ist als ein vorgegebenerBezugsbereich. Dadurch wird eine effiziente Ableitung des enthaltenenWassers, das sich in den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellenim Brennstoffzellen-Block niedergeschlagen hat, sichergestellt.In dieser Ausführungsformkann das Parameter-Meßmodulden Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke messen,und das Wassermengen-Bestimmungsmodul kann bestimmen, daß ein bestimmterBrennstoffzellen-Block einen zu hohen Wassergehalt aufweist, wennder beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocksunter einem vorgegebenen geeigneten Bereich liegt.
[0017] Ineiner weiteren bevorzugten Ausführungsformder Erfindung enthältdas Brennstoffzellen-System ferner: ein Parameter-Meßmodul,das einen Parameter mißt,der sich auf die Höhedes Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; einWassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedemder Brennstoffzellen-Blöckeaufgrund des vom Parameter-Meßmodulgemessenen Parameters bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welchesdas Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Regulierungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block,der laut dem Wassermengen-Bestimmungsmodul einen ungenügend hohenWassergehalt aufweist, so betätigt, daß der Auslaßöffnungsbereichdes mindestens einen Abgassammelrohrs kleiner wird als ein vorgegebenerBezugsbereich. Bei dieser Vorgehensweise wird der Öffnungsbereichdes Abgassammelrohrs so reguliert, daß er enger wird als der Bezugsbereich, wenneine Austrocknung des Zellenblocks gegeben ist. Dies bewirkt, daß das Wasserin den Gasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen, die im Brennstoffzellen-Blockenthalten sind, zurückgehaltenwird, und auf diese Weise wird der Austrocknungszustand wünschenswerterweisebeendet. In dieser Ausführungsformkann das Parameter-Meßmodulden Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke messen,und das Wassermengen-Bestimmungsmodul kann bestimmen, daß ein bestimmterBrennstoffzellen-Block einen unzureichend hohen Wassergehalt aufweist,wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocks über einemvorgegebenen geeigneten Bereich liegt.
[0018] Ineinem Anwendungsbeispiel fürdie obigen beiden Ausführungsformenenthältdas Brennstoffzellen-System ferner ein Blockpositions-Erkennungsmodul,das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt,und das Betätigungssteuerungsmodulerhöhtden vorgegebenen Bezugsbereich fürdas mindestens eine Abgassammelrohr in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block,der laut Blockpositions-Erkennungsmodulunten angeordnet ist. Der Brennstoffzellen-Block, der sich von denim Brennstoffzellen-Stapel enthaltenen Brennstoffzellen-Blöcken untenbefindet, tendiert aufgrund der Schwerkraft zu einem hohen Wassergehalt.Der Bezugsbereich wird somit erweitert, um die Ableitung des Wassers,das in dem unten angeordneten Brennstoffzellen-Block enthalten ist,zu beschleunigen.
[0019] Ineinem Fahrzeug der Erfindung ist ein Brennstoffzellen-System miteiner beliebigen der oben genannten Anordnungen eingebaut. Ein Brennstoffzellen-Systemmit einer beliebigen der oben erörtertenAnordnungen erzeugt einen Stoß unddrückt dieWassertröpfchen,die sich in der Gasleitung niedergeschlagen haben, zum Auslaß. Ein Fahrzeug,in dem solch ein Brennstoffzellen-System eingebaut ist, hat natürlich Funktionenund Wirkungen, die denen der oben erörterten Brennstoffzellen-Systemeentsprechen.
[0020] 1 ist eine schematischeDarstellung des Aufbaus eines Fahrzeugs, in dem das Brennstoffzellen-Systemder ersten Ausführungsformder Erfindung eingebaut ist;
[0021] 2 ist eine perspektivischeExplosionsansicht einer Brennstoffzellen-Einheit;
[0022] 3 ist eine perspektivischeAnsicht, die schematisch ein röhrenförmiges Schaltelementdarstellt;
[0023] 4 zeigt die Lagebeziehungzwischen den Spalten des röhrenförmigen Schaltelementsund den Oxidationsgasleitungen;
[0024] 5 zeigt Querschnittsansichtender Brennstoffzellen-Einheit;
[0025] 6 ist ein Ablaufschema,das eine Schaltroutine fürden Auslaß derOxidationsgasleitung zeigt;
[0026] 7 und 8 sind perspektivische Darstellungen,die schematisch ein Schaltelement in einem modifiziertem Aufbauder ersten Ausführungsformdarstellen;
[0027] 9 ist eine perspektivischeDarstellung, die schematisch einen Brennstoffzellen-Stapel einer zweitenAusführungsformdarstellt;
[0028] 10 zeigt Zu- und Abströme von Oxidationsgasund Brenngas in der zweiten Ausführungsform;
[0029] 11 ist das Blockschema einesGegendruck-Regelventils der zweiten Ausführungsform;
[0030] 12 zeigt eine Verbindungmit der elektronischen Steuereinheit der zweiten Ausführungsform;
[0031] 13 ist eine graphische Darstellungdes Innenwiderstands Ri gegen den Wassergehalt in jedem Brennstoffzellen-Blockder zweiten Ausführungsform;
[0032] 14 ist ein Ablaufschema,das eine Wassergehalts-Anpassungsroutine der zweiten Ausführungsformzeigt;
[0033] 15 ist ein Ablaufschema,das eine Neigungs-Antwortroutine der zweiten Ausführungsform zeigt;
[0034] 16 ist eine Draufsicht aufeinen Brennstoffzellen-Stapel in einem modifiziertem Aufbau der zweitenAusführungsform;und
[0035] 17 ist ein Ablaufschema,das eine Wassergehalts-Anpassungsroutine in einem modifiziertemAufbau der zweiten Ausführungsformzeigt.
[0036] EinigeAusführungsformender Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren erörtert. 1 ist eine schematischeDarstellung des Aufbaus eines Fahrzeugs 10, in dem dasBrennstoffzellen-System 12 der ersten Ausführungsformder Erfindung eingebaut ist. 2 isteine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellen-Einheit 30. 3 ist eine perspektivischeAnsicht, die schematisch ein röhrenförmiges Schaltelement 70 darstellt. 4 zeigt die Lagebeziehungzwischen Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 undOxidationsgasleitungen 36. 5 zeigtQuerschnittsansichten der Brennstoffzellen-Einheit 30.
[0037] Wiein 1 gezeigt, enthält das Fahrzeug 10 dieserAusführungsformein Brennstoffzellen-System 12, einen Betätigungsmechanismus 14,der den elektrischen Strom, der vom Brennstoffzellen-System 12 geliefertwird, in Antriebskraft umwandelt und der die Antriebsräder 18, 18 über einUntersetzungsgetriebe 16 mit der Antriebskraft antreibt,und eine elektronische Steuereinheit 80, die das ganzeFahrzeug 10 steuert. Das Brennstoffzellen-System 12 weisteinen Brennstoffzellen-Stapel 20 auf, bei dem es sich umeinen Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 handelt,die durch elektrochemische Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoffelektrischen Strom erzeugen, Verteilerrohre M1 und M2, um die einzelnenBrennstoffzellen-Einheiten 30 mit Oxidationsgas und gasförmigem Brennstoffzu versorgen, und Abgassammelrohre M3 und M4, um die Abgase desOxidationgases und des Brennstoffgases, welche die einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 durchlaufenhaben, aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 auszuführen. DasFahrzeug 10 dieser Ausführungsformenthältferner ein röhrenförmiges Schaltelement 70 (siehe 3), das im Oxidationsgas-AbgassammelrohrM3 angeordnet ist, um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen.
[0038] DerBrennstoffzellen-Stapel 20 wird dadurch hergestellt, daß man eineMehrzahl der Brennstoffzellen-Einheiten 30 als Basiseinheiten übereinander stapelt,und aufeinanderfolgend jeweils ein Paar Kollektorplatten 21 und 22,ein Paar Isolierplatten 23 und 24 und ein PaarEndplatten 25 und 26 an den Enden des Stapelsaus den Brennstoffzellen-Einheiten 30 anordnet. Die Kollektorplatten 21 und 22 bestehen auseinem gasundurchlässigenelektrisch leitfähigen Material,wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Die Isolierplatten 23 und 24 bestehenaus einem Isoliermaterial wie Gummi oder Harz. Die Endplatten 25 und 26 bestehenaus einem Metall, das Steifigkeit aufweist, beispielsweise aus Stahl.Die Kollektorplatten 21 und 22 weisen jeweilsAusgangsanschlüsse 21a und 22a auf,um die vom Brennstoffzellen-Stapel 20 erzeugte elektromotorischeKraft abzugeben. Ein (nicht gezeigter) Haltemechanismus bewirkt,daß die Endplatten 25 und 26 dieeinzelnen Einheitszellen 30 unter einem Druck halten, derin Stapelrichtung wirkt.
[0039] Wiein den 2 und 5 dargestellt, weist jededer Brennstoffzellen-Einheiten 30 eine Membranelektrodenanordnung(MEA) 34 auf, die eine Anode 32 und eine Kathode 33 enthält, die über derElektrolytmembran 31 angeordnet sind, sowie ein Paar Separatoren 40, 40,die an beiden Enden der MEA 34 angeordnet sind. Die Elektrolytmembran 31 weistim nassen Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit auf. Eine von Du-Pont hergestellteNafionmembran wird bevorzugt fürdie Elektrolytmembran 31 verwendet. Sowohl die Anode 32 alsauch die Kathode 33 weisen eine Katalysatorelektrode auf,die Platin oder eine Legierung aus Platin und einem anderen Metallträgt, sowieeine Gasdiffusionselektrode aus Kohletuch, bei dem es sich um einegewebte Struktur aus Kohlefasern handelt. Die MEA 34 wirddurch die Verbindung der Anode 32, der Elektrolytmembran 31 und derKathode 33 durch Thermokompression erhalten. Jeder derSeparatoren 40 besteht aus einem gasundurchlässigen elektrischleitfähigenMaterial, beispielsweise aus formgepreßtem Kohlenstoff, der dadurcherhalten wird, daß manKohlenstoff komprimiert, damit er gasundurchlässig wird. Wie in 2 dargestellt, sind eineOxidationsgas-Zuführöffnung 41 undeine Oxidationsgas-Abführöffnung 43 durch denSeparator 40 etwa mittig an der Oberseite und der Unterseitedes Separators 40 ausgebildet. Ebenso sind eine Zuführöffnung 42 für den gasförmigen Brennstoffund eine Abführöffnung 44 für das Brennstoffabgasdurch den Separator 40 etwa mittig auf der linken Seiteund der rechten Seite des Separators 40 ausgebildet. Ebensosind kreisförmige Öffnungen 45 bis 48 durchden Separator fürdie Umwälzung vonKühlwasseran den vier Ecken des Separators 40 ausgebildet. MehrereRillen, die von der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 zur Oxidationsgas-Abführöffnung 43 verlaufen,bilden an einer Front des Separators 40 eine Oxidationsgasleitung 36.Ebenso bilden mehrere Rillen, die von der Brenngas-Zuführöffnung 42 zurBrennstoffabgas-Abführöffnung 44 verlaufen, ander anderen Front des Separators 40 eine Brenngasleitung 38.
[0040] Dichtungen 50 sindzwischen der MEA 34 und den einzelnen Separatoren 40 angeordnet,wie in 2 gezeigt. DieDichtungen 50 sind entlang der Elektrolytmembran 31 angeordnet,um ein Austreten des gasförmigenBrennstoffs und des Oxidationsgases zu hemmen, und um zu verhindern,daß sichder Oxidationsgasstrom in dem Raum zwischen den Separatoren 40, 40 mitdem Brenngasstrom vermischt. Jede der Dichtungen 50 weistNuten 51 bis 54 auf, die so angebracht sind, daß sie der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41,der Brenngas-Zuführöffnung 42,der Oxidationsgas-Abführöffnung 43 bzw.der Brenngas-Abführöffnung 44 desSeparators gegenüberliegen, kreisförmige Öffnungen 55 bis 58,die so angebracht sind, daß sieden kreisförmigen Öffnungen 45 bzw. 48 gegenüberliegen(in der Darstellung fehlt die kreisförmige Öffnung 55), sowieeine quadratische Öffnung,die so groß gestaltetist, daß sie dieAnode 32 oder die Kathode 33 aufnehmen kann.
[0041] Unterden Verteilerrohren ist das Oxidationsgas-Verteilerrohr M1 ein Hohlraum,der die Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 desSeparators 40 mit der Nut 51 der Dichtung 50 inden einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtungdes Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Die Luft alsdas Oxidationsgas wird von einem Luftkompressor 60 über ein Stromventil 62 zugeführt, wirdvon einem nicht dargestellten Befeuchter befeuchtet und strömt in dasOxidationsgas-Verteilerrohr M1. Bei dem Brenngas-Verteilerrohr M2handelt es sich um einen Hohlraum, der die Brenngas-Zuführöffnung 42 desSeparators 40 mit der Nut 52 der Dichtung 50 inder einzelnen Brennstoffzellen-Einheit 30 in Stapelrichtungdes Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Der gasförmige Wasserstoffals der gasförmigeBrennstoff wird von einem Wasserstofftank 64 über einStromventil 66 zugeführt,wird von einem nicht dargestellten Befeuchter befeuchtet und strömt in dasBrenngas-Verteilerrohr M2. Bei Kühlwasser-VerteilerrohrenM5 und M6 handelt es sich jeweils um Hohlräume, welche die ringförmigen Öffnungen 45 und 46 desSeparators 40 mit den ringförmigen Öffnungen 55 und 56 derDichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 inStapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbinden.Ein Strom von Kühlwasserals dem Kühlmittelwird von einer nicht dargestellten Pumpe geliefert und strömt in dieKühlwasser-VerteilerrohreM5 und M6.
[0042] Unterden Abgassammelrohren ist das Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 einHohlraum, der die Oxidationsgas-Abführöffnung 43 des Separators 40 mitder Nut 53 der Dichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 inStapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet.Das Abgas des Oxidationsgases, das durch die Oxidationsgasleitungen 36 dereinzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 geströmt ist, wirdzusammen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. DasBrennstoff-Abgassammelrohr M4 ist ein Hohlraum, der die Brennstoff-Abgasöffnung 44 desSeparators 40 mit der Nut 54 der Dichtung 50 inden einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 in Stapelrichtungdes Brennstoffzellen-Stapels 20 verbindet. Das Abgas desgasförmigenBrennstoffs, der durch die Brenngasleitungen 38 der einzelnenBrennstoffzellen-Einheiten 30 geströmt ist,wird zusammen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. DasAbgas des gasförmigenBrennstoffs enthältimmer noch nicht-umgesetzten Wasserstoff und kann daher in das Brenngas-Verteilerrohr M2rückgeführt werden.Bei Kühlwasser-AbflußsammelrohrenM7 bzw. M8 handelt es sich um Hohlräume, welche die kreisförmigen Öffnungen 47 und 48 desSeparators 40 mit den kreisförmigen Öffnungen 57 und 58 derDichtung 50 in den einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 inStapelrichtung des Brennstoffzellen-Stapels 20 verbinden.Der heißeStrom des Kühlwassers,das durch Kühlwasserleitungen geströmt ist,die in (nicht gezeigten) Kühlwasserseparatorenausgebildet sind, die in Abständenvon mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 imBrennstoffzellen-Stapel 20 angeordnet sind, wird zusammenaus dem Brennstoffzellen-Stapel 20 ausgeführt. DerheißeKühlwasserstromwird mittels eines nicht dargestellten Radiators abgekühlt undströmtin die Kühlwasser-VerteilerrohreM5 und M6 zurück.
[0043] Wiein den 3 und 4 dargestellt, handelt essich bei dem röhrenförmigen Schaltelement 70 um einGurtelement, das in elliptischer Röhrenform zwischen einer Antriebswalze 74 undeiner angetriebenen Walze 76, die an beiden Enden im Oxidationsgas-AbgassammelrohrM3 angeordnet sind, gespannt ist. Bei dem röhrenförmigen Schaltelement 70 handeltes sich um eine dünneMetallplatte oder eine dünneHarzplatte, die mehrere Spalten 70a, 70a ... aufweist,die so angeordnet sind, daß sieden Auslässender einzelnen Oxidationsgasleitungen 36 zugeordnet werdenkönnen.Die Antriebswalze 74 wird von einem Schrittmotor 79 angetriebenund gedreht, der als Betätigungsmoduldient, das an der Außenseiteder Endplatte 25 des Brennstoffzellen-Stapels 20 angebracht ist.(Nicht gezeigte) Zahnkränzesitzen auf der Antriebswalze 74 und der angetriebenen Walze 76.Wenn sich die Walzen 74 und 76 jeweils drehen,greifen die Zähneder Zahnkränzenacheinander in (nicht gezeigte) Führungsöffnungen, die in dem röhrenförmigen Schaltelement 70 ausgebildet sind,und bewegen dadurch das röhrenförmige Schaltelement 70 inDrehrichtung. Daher kommt es nicht zu einem Rutschen des röhrenförmigen Schaltelements 70 inBezug auf die Walzen 74 bzw. 76. Die Drehung desröhrenförmigen Schaltelements 70 durchdie Antriebswalze 74 legt die Spalten 70a, 70a ...in Positionen fest, in denen sie den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen,um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen (sieh 4(a) und 5(a)).Die Drehung des röhrenförmigen Schaltelements 70 durchdie Antriebswalze 74 legt alternativ die Spalten 70a, 70a ...in Positionen fest, in denen sie den Vorsprüngen 37 gegenüber liegen,welche benachbarte Oxidationsgasleitungen 36, 36,teilen, um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen (siehe 4(b) und 5(b)).Der vom röhrenförmigen Schaltelement 70 umschlosseneInnenraum hat im wesentlichen dieselbe Größe wie das Oxidationsgas-AbgassammelrohrM3.
[0044] DerBetätigungsmechanismus 14 (siehe 1) weist einen Stromwandlerauf, um den vom Brennstoffzellen-Stapel 20 erzeugten Gleichstromin Wechselstrom umzuwandeln, und einen Zugmotor, der durch den umgewandeltenWechselstrom angetrieben und gedreht wird, obwohl nicht im Einzelnen dargestellt.
[0045] Zurück zu 1: die elektronische Steuereinheit 80 istals Mikroprozessor aufgebaut, der eine CPU 82, einen ROM 84,der Verarbeitungsprogramme speichert, einen RAM 86, derDaten vorübergehendspeichert, und einen (nicht gezeigten) Eingangs/Ausgangs-Port enthält. Dieelektronische Steuereinheit 80 empfängt über den Eingangsport als Eingangssignaleein PedalöffnungssignalAP, das von einem (nicht gezeigten) Gaspedalsensor ausgeht, einFahrzeuggeschwindigkeitssignal V, das von einem (nicht gezeigten)Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgeht, und ein Eingangs-/Ausgangsspannungs-Signaldes Stromwandlers, der im Betätigungsmechanismus 14 enthaltenist. Die elektronische Steuereinheit 80 gibt über ihrenAusgangsport Steuersignale an das Stromventil 62 aus, umden Luftstrom zu regulieren, und an das Stromventil 66, umden Wasserstoffstrom zu regulieren, ebenso wie Steuersignale anden Schrittmotor 79 und den Stromwandler und den Zugmotor,die im Betätigungsmechanismus 14 enthaltensind.
[0046] Imfolgenden werden die Wirkungsweisen im Fahrzeug 10 derwie oben aufgebauten Ausführungsformbeschrieben, insbesondere die Wirkungsweise beim Entfernen von Wassertröpfchen,die sich in den Gasleitungen niedergeschlagen haben, bei fahrendemFahrzeug 10. Im Ausgangszustand sind die Spalten 70a desröhrenförmigen Schaltelements 70 inPositionen angeordnet, in denen sie die Auslässe der Oxidationsgasleitungen 36 öffnen, dasheißt, inPositionen, in denen sie den Auslässen der Oxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen(siehe 4(a) und (b)). 6 ist ein Ablaufschema,das eine Schaltroutine fürden Auslaß derOxidationsgasleitung zeigt, die von der CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 ausgeführt wird.Diese Routine ist im ROM 84 hinterlegt und wird von derCPU 82 in voreingestellten Zeitintervallen wiederholt (beispielsweisealle paar ms). Wenn diese Routine gestartet wird, bestimmt die CPU 82 zuerst,ob ein Auslaß-Schließ-Flag Fauf 0 oder 1 gesetzt ist (Schritt S100). Das Auslaß-Schließ-Flag wirdauf 1 gesetzt, wenn sich das röhrenförmige Schaltelement 70 in Schließstellungbefindet, um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen, und wird auf 0 zurückgesetzt,wenn sich das röhrenförmige Schaltelement 70 inder Öffnungsstellungbefindet, um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen. In den Anfangseinstellungenwird das Auslaß-Schließ-Flag Fauf 0 zurückgesetzt.Wenn in Schritt S100 bestimmt wird, daß das Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 gesetzt ist,bestimmt die CPU 82 anschließend, ob derzeit eine zeitlicheAuslaß-Schließsteuerungdurchgeführtwird (Schritt S110). Hier läuftjedes Mal eine Auslaß-Schließsteuerungab, wenn ein bestimmter Zeitraum vergangen ist. Dieser bestimmteZeitraum wird durch aktuelles Messen der Zeit bestimmt, die vergeht,bis sich Wassertröpfchenin den Gasleitungen 36 niederschlagen, während derBrennstoffzellen-Stapel 20 in Betrieb ist. Wenn geradekeine zeitliche Auslaß-Schließsteuerungdurchgeführtwird, wird diese Routine sofort beendet. Wenn dagegen gerade einezeitliche Auslaß-Schließsteuerungdurchgeführtwird, steuert die CPU 82 die Drehung des Schrittmotors 79 undbewirkt, daß dieAntriebswalze 74 das röhrenförmige Schaltelement 70 sodreht, daß dieSpalten 70a in Positionen angehalten werden, in denen sieden Vorsprüngen 37,die benachbarte Gasleitungen 36, 36 trennen, gegenüberliegen,das heißt,so, daß die Auslässe derOxidationsgasleitungen 36 mit den übrigen Bereichen außer denSpalten 70a verschlossen werden (siehe 4(a) und 5(a))(Schritt S120). Dann setzt die CPU 82 das Auslaß-Schließ-Flag F auf1 (Schritt S130) und verläßt dieseRoutine.
[0047] Wennin Schritt S100 bestimmt wird, daß das Auslaß-Schließ-Flag F auf 1 gesetzt ist,wurden die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 bereits verschlossen, umden Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 zu erhöhen. Indiesem Fall bestimmt die CPU 82 anschließend, obseit dem vorhergehenden Setzen des Auslaß-Schließ-Flags F auf 1 eine voreingestellteSchließzeitvergangen ist (Schritt S140). Wenn die voreingestellte Schließzeit nochnicht vergangen ist, wird die Routine sofort beendet. Wenn andererseitsdie voreingestellte Schließzeitabgelaufen ist, wird angenommen, daß der Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 aufeinen bestimmten Wert gestiegen ist. Die CPU 82 steuertdemgemäß die Drehungdes Schrittmotors 70 und bewirkt, daß die Antriebswalze 74 dasröhrenförmige Schaltelement 70 sodreht, daß esdie Spalten 70a in Positionen anhält, in denen sie den Auslässen derOxidationsgasleitungen 36 gegenüber liegen, das heißt so, daß die Auslässe derOxidationsgasleitungen 36 geöffnet werden (siehe 4(b) und 5(b)) (Schritt S150). Dann setzt dieCPU 82 das Auslaß-Schließ-Flag F auf 0 zurück (SchrittS160) und verläßt dieseRoutine. Die Schließzeitwird so eingestellt, daß siekürzerist als die Intervalle der zeitlichen Auslaß-Schließsteuerung.
[0048] DieSteuerung dieser Ausführungsform schließt die Auslässe derOxidationsgasleitungen 36 der Brennstoffzellen-Einheiten 30,um den Innendruck der Oxidationsgasleitungen 36 zu erhöhen, und öffnet danndie Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36. Das unter Druck gesetzteOxidationsgas strömtdementsprechend heftig durch die Oxidationsgasleitungen 36 undaus diesen heraus. Durch die Erzeugung dieses Stoßes in denOxidationsgasleitungen 36 werden Wassertröpfchen,die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagenhaben, effizient zum Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3 befördert. Dasröhrenförmige Schaltelement 70 ist dafür ausgelegt,die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen. DieseAnordnung gewährleisteteine Regulierung des Innendrucks der Oxidationsgasleitungen 36 mitgutem Antwortverhalten. Der Aufbau dieser Ausführungsform erfordert keineUmgehungsleitung in den Brennstoffzellen-Einheiten 30,im Gegensatz zum Aufbau des angeführten Patentdokuments 1. ImAufbau dieser Ausführungsformbefinden sich das röhrenförmige Schaltelement 70 unddie Walzen 74 und 76 im ohnehin vorhandenen Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3.In dem kennzeichnenden Aufbau dieser Ausführungsform wird der Rahmeneiner Brennstoffzellen-Einheit 30 verwendet, welche einerbereits vorhandenen entspricht, und der Brennstoffzellen-Stapel 20 wirdkaum vergrößert. EinStoß wirdin den Oxidationsgasleitungen 36 einfach dadurch bewirkt, daß die Lagebeziehungzwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 undden Auslässender Oxidationsgasleitungen 36 verändert wird. Die Merkmale derErfindung werden somit von diesem relativ einfachen Aufbau verwirklicht.Die Lagebeziehung zwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 undden Auslässender Oxidationsgasleitungen 36 kann durch die relativ einfacheBewirkung einer Drehung des röhrenförmigen Schaltelements 70 verändert werden.Die relativ einfache Steuerung dieser Ausführungsform erzeugt in regelmäßigen Abständen einenStoß inden Oxidationsgasleitungen 36 und entfernt dadurch wirksam Wassertröpfchen,die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagenhaben.
[0049] Nachstehendwerden einige Beispiele für mögliche Modifikationender ersten Ausführungsform angegeben.Bei der Vorgehensweise der ersten Ausführungsform wird während jederzeitlichen Auslaß-Schließsteuerungein Stoß inden Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt, das heißt, jedesMal nach Ablauf eines bestimmten Zeitraums. In einer möglichen Modifikationwird die Luftfeuchtigkeit gemessen, wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlagin den Oxidationsgasleitungen 36 gegeben ist, und die beobachteteLuftfeuchtigkeit wird als Schwellenwert T0 festgesetzt. Ein Feuchtigkeitssensorist in den Oxidationsgasleitungen 36 angeordnet. Bei derVorgehensweise dieser Modifikation wird bestimmt, daß eine zeitlicheAuslaß-Schließsteuerungkommt, wenn die vom Feuchtigkeitssensor gemessene Feuchtigkeit denSchwellenwert T0 erreicht oder übersteigt, undes wird ein Stoß inden Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Diese Anordnungerzeugt ein Stoß inden Oxidationsgasleitungen 36 entsprechend dem Status desWassertröpfchen-Niederschlags,wodurch die Wassertröpfchen,die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagenhaben, wirksam entfernt werden.
[0050] Ineiner anderen möglichenModifikation wird bestimmt, daß einezeitliche Auslaß-Schließsteuerungkommt, wenn der Brennstoffzellen-Stapel 20 eine hohe Ausgangsleistungerbringen muß,und es wird ein Stoß inden Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Ob eine hohe Ausgangsleistungsforderungan den Brennstoffzellen-Stapel 20 vorliegt, hängt von derBestimmung ab, ob die elektrische Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 einenvoreingestellten Schwellenwert T1 erreicht oder übersteigt. Die elektrischeLeistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 wirdaus der Leistungsforderung eines Fahrzeugs an die Antriebsräder 18, 18 berechnet.Die Fahrzeug-Leistungsanforderung wird entsprechend den aktuellenEingängeneines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals V und eines GaspedalöffnungssignalsAP durch Bezugnahme auf ein nicht dargestelltes Kennfeld bestimmt,das im ROM 84 hinterlegt ist. Der Schwellenwert T1 wirdzuvor empirisch festgesetzt. Eine höhere Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 bewirkt,daß einelebhaftere elektrochemische Reaktion eine große Menge an Wasser erzeugt.Die großeWassermenge schlägt sichleicht in den Oxidationsgasleitungen 36 nieder, wodurchsie den ungehinderten Strom des Oxidationsgases stört. Beider Vorgehensweise dieser Modifikation wird die Beziehung zwischender Wassermenge, die sich in den Oxidationsgasleitungen 36 niedergeschlagenhat, und der Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 experimentellbestimmt, und die Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 zudem Zeitpunkt, zu dem die Höhedes Wasserniederschlags den ungehinderten Strom des Oxidationsgasesmöglicherweisestört,wird als Schwellenwert T1 festgesetzt.
[0051] Ineiner weiteren möglichenModifikation wird bestimmt, daß diezeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt,wenn die Höheder Integralleistung des Brennstoffzellen-Stapels 20 ein bestimmtes Niveau erreichtoder übersteigt,wenn eine hohe Ausgangsleistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 gegebenist. Wenn die Höheder Integralleistung dieses bestimmte Niveau noch nicht erreichthat, wenn eine hohe Ausgangsleistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 gegebenist, wird die elektrochemische Reaktion nur vorübergehend lebhaft und bewirktkeinen Niederschlag von Wassertröpfchenin den Oxidationsgasleitungen 36. Die hohe Leistungsforderungan den Brennstoffzellen-Stapel 20 kann jedoch über einenrelativ langen Zeitraum bestehen. In diesem Fall erreicht die Höhe der Integralleistungdas bestimmte Niveau, währenddie elektrische Leistungsforderung den Schwellenwert T1 kontinuierlich übersteigt.Dieser Zustand führt häufig zueinem Niederschlag von Wassertröpfchen inden Oxidationsgasleitungen 36. Dieses bestimmte Niveauder Integralleistung wird somit experimentell bestimmt und als SchwellenwertT2 festgesetzt. Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wirdbestimmt, daß diezeitliche Auslaß-Schließsteuerung kommt,wenn die Messung der Integralleistung den Schwellenwert T2 erreichtoder übersteigt,während dieelektrische Leistungsforderung an den Brennstoffzellen-Stapel 20 denSchwellenwert T1 kontinuierlich übersteigt.
[0052] Ineiner weiteren möglichenModifikation wird ein zeitlich veränderliches Verhalten der Ausgabespannungdes Brennstoffzellen-Stapels 20 bei gegebenem Wassertröpfchen-Niederschlagin den Oxidationsgasleitungen 36 im ROM 84 gespeichert.Bei der Vorgehensweise dieser Modifikation wird bestimmt, daß die zeitlicheAuslaß-Schließsteuerungkommt, wenn das beobachtete zeitlich veränderliche Verhalten der Ausgabespannungdes im Betrieb befindlichen Brennstoffzellen-Stapels 20 imwesentlichen mit dem im ROM 84 gespeicherten zeitlich veränderlichenVerhalten übereinstimmt,und es wird ein Stoß inden Oxidationsgasleitungen 36 erzeugt. Diese Anordnunggewährleisteteine angemessene Einschätzungdes Wassertröpfchen-Niederschlagsin den Oxidationsgasleitungen 36.
[0053] ImAufbau der ersten Ausführungsformwird ein röhrenförmiges Schaltelement 70 mitelliptischem Querschnitt verwendet. In einem in 7 gezeigten modifizierten Aufbau derBrennstoffzellen-Einheit 30 sind die Auslässe dermehreren Oxidationsgasleitungen 36 zu einer Sammelleitung 136 zusammengefaßt, diemit dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3verbunden ist. In diesem Fall wird ein röhrenförmiges Schaltelement mit einemquasi-kreisförmigen Querschnittund einem Spalt auf seiner Umfangsfläche verwendet, beispielsweiseein Drehventil 170 mit einem Spalt 170a, um den Auslaß der Sammelleitung 136 zu öffnen undzu schließen.Das Drehventil 170 ist axial drehbar im Oxidationsgas-Abgassammelrohr M3angeordnet. Der Schrittmotor 79 wechselt die Lagebeziehungzwischen dem Spalt 170a des Drehventils 170 unddem Auslaß derSammelleitung 136, um den Auslaß der Sammelleitung 136 zu öffnen und zuschließen.
[0054] DieSteuerung der ersten Ausführungsform reguliertdie Lagebeziehung zwischen den Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70,das zwischen der Antriebswalze 74 und der angetriebenen Walze 76 gespanntist, und den Auslässender Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe derOxidationsgasleitungen 36 zu öffnen und zu schließen. Ineinem weiteren modifizierten Aufbau, der in 8 dargestellt ist, ist eine dünne Metall-oder Harzplatte 270 ohne Spalten im Oxidationsgas-SammelrohrM3 angeordnet und wird mittels eines nicht dargestellten Aktors(beispielsweise eines Motors oder eines Magneten) auf- und abbewegt,um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu schließen (ein Zustand, der von derdurchgezogenen Linie in 8 dargestelltist) und um die Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 zu öffnen (ein Zustand, der vonder unterbrochenen Linie in 8 dargestelltist).
[0055] DieSteuerung der oben genannten Ausführungsform bringt entwederdie Spalten 70a des röhrenförmigen Schaltelements 70 paßgenau aufdie Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe zu öffnen, oderbringt die übrigenBereiche des röhrenförmigen Schaltelements 70 außer den Spalten 70a paßgenau aufdie Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36, um die Auslässe zu schließen. Ineiner möglichenModifikation kann die Drehung des Schrittmotors 79 reguliertwerden, um den Überlappungsbereich(Öffnungsbereich)der Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36 mit den Spalten 70a zu variieren.Diese modifizierte Anordnung gewährleisteteine empfindliche Regelung des Stoßsdrucks in den Oxidationsgasleitungen 36.
[0056] ImAufbau der oben erörtertenAusführungsformsind die Oxidationsgasleitungen 36 als lineare Nuten ausgebildet,die von der Oxidationsgas-Zuführöffnung 41 zurOxidationsgas-Abführöffnung 43 verlaufen.Die Oxidationsgasleitungen 36 können auch als gekrümmte Nutenoder als Serpentinennuten ausgebildet sein. In einem weiteren möglichen Aufbaukönnenkleine Würfeloder kleine rechteckige Parallelepipede in vorgegebenen Abständen aufder Oberflächedes Separators 40 angebracht sein, und die Lücken, dievon den Würfelnoder rechteckigen Parallelepipeden definiert sind, werden als Oxidationsgasleitungen 36 genommen.
[0057] DieSteuerung der ersten Ausführungsform öffnet undschließtdie Auslässeder Oxidationsgasleitungen 36, um ein Stoß in denOxidationsgasleitungen 36 zu erzeugen. Zusätzlich zuoder statt dieser Funktion kann die Steuerung die Auslässe derBrenngasleitungen 38 auf ähnliche Weise öffnen und schließen, umein Stoß inden Brenngasleitungen 38 zu erzeugen. Das in die Brenngasleitungen 38 gelieferteBrenngas wird befeuchtet, und überschüssige Feuchtigkeitkann dazu führen,daß sichWassertröpfchenin den Brenngasleitungen 38 niederschlagen.
[0058] Inder oben erörtertenAusführungsformist das Brennstoffzellen-System 12 in einem Fahrzeug 10 eingebaut.Das Brennstoffzellen-System kann auch in anderen Fahrzeugen undTransportmaschinen, wie Zügenund Flugzeugen, eingebaut werden und kann in beliebige Hybridsystemefür denPrivat- und Industriesektor eingebaut werden. In jedem Fall zeigendas Brennstoffzellen-System 12 und seine AnwendungsmöglichkeitenFunktionen und Wirkungen, die den oben erörterten entsprechen.
[0059] Ineiner zweiten Ausführungsformwird der Brennstoffzellen-Stapel 20 der ersten Ausführungsformdurch einen Brennstoffzellen-Stapel 120 ersetzt, und derAufbau gleicht ansonsten dem der ersten Ausführungsform. ÄhnlicheKomponenten weisen ähnlicheZeichen und Symbole auf und werden hier nicht im Einzelnen beschrieben. 9 ist eine perspektivischeAnsicht, die schematisch einen Brennstoffzellen-Stapel 120 derzweiten Ausführungsform darstellt. 10 zeigt Zu- und Abströme von Oxidationsgasund Brenngas in der zweiten Ausführungsform. 11 ist das Blockschema einesGegendruck-Regelventils in Verbindung mit der elektronischen Steuereinheit 80 derzweiten Ausführungsform.
[0060] Wiein 9 dargestellt, weistder Brennstoffzellen-Stapel 120 der zweiten Ausführungsform mehrerehundert Brennstoffzellen-Einheiten 30 (identisch mit denender ersten Ausführungsform)als Basiseinheiten auf, die in zwei Reihen, einer ersten Reihe L1und einer zweiten Reihe L2, angeordnet sind. Die beiden Reihen L1und L2 sind beide in U-Form durch eine Verbindungsplatte 127 verbunden.Die Verbindungsplatte 127 besteht aus einem gasundurchlässigen undelektrisch leitfähigenMaterial wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Die Verbindungsplatte 127 verbindetdie Reihen aus mehreren hundert Brennstoffzellen-Einheiten 30.Der Brennstoffzellen-Stapel 120 enthält vier Brennstoffzellen-Blöcke, dasheißt,erste bis vierte Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4. Jeder der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 umfaßtein Viertel der mehreren hundert Brennstoffzellen-Einheiten 30.Der erste Brennstoffzellen-Block B1 und der zweite Brennstoffzellen-BlockB2 bilden die erste Reihe L1, währendder dritte Brennstoffzellen-Block B3 und der vierte Brennstoffzellen-BlockB4 die zweite Reihe L2 bilden. Eine Platte 130, in derSammelrohre ausgebildet sind, ist zwischen dem ersten Brennstoffzellen-BlockB1 und dem zweiten Brennstoffzellen-Block B2 und zwischen dem drittenBrennstoffzellen-Block B3 und dem vierten Brennstoffzellen-BlockB4 angeordnet.
[0061] Sowohlim ersten Brennstoffzellen-Block B1 als auch im vierten Brennstoffzellen-BlockB4 ist ein Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 zwischender Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, undeiner Kollektorplatte 121 oder 122 angeordnet.Ferner sind eine Isolierplatte 123 oder 124 undeine Endplatte 125 oder 126 außerhalb der Kollektorplatte 121 oder 122 angeordnet.Die Kollektorplatten 121 und 122 weisen jeweilsAnschlüsse 121a und 122a auf.Die Platte 130, in der Sammelrohre ausgebildet sind, weisteinen elektrisch leitfähigen erstenEinsatz auf, der zwischen dem ersten Brennstoffzellen-Block B1 unddem zweiten Brennstoffzellen-Block B2 angeordnet ist, einen elektrischleitfähigenzweiten Einsatz 132, der zwischen dem dritten Brennstoffzellen-BlockB3 und dem vierten Brennstoffzellen-Block B4 angeordnet ist, undeinen Verbindungsabschnitt 133, der den ersten Einsatz 131 mitdem zweiten Einsatz 132 dielektrisch verbindet. Der ersteEinsatz 131 und der zweite Einsatz 132 bestehenaus einem gasundurchlässigenund elektrisch leitfähigenMaterial wie dichtem Kohlenstoff oder Kupfer. Der Verbindungsabschnitt 133 bestehtaus einem Isoliermaterial wie Gummi oder Harz. Sowohl im zweitenBrennstoffzellen-Block B2 als auch im dritten Brennstoffzellen-BlockB3 ist ein Stapel aus mehreren Brennstoffzellen-Einheiten 30 zwischen der Platte 130,in der Sammelrohre ausgebildet sind, und der Verbindungsplatte 127 angeordnet.Die Endplatten 125 und 126 und die Verbindungsplatte 127 werdenjeweils von einer nicht dargestellten Druckeinheit in Richtung derin 9 dargestellten ungefüllten Pfeilemit Druck beaufschlagt. Dieser Aufbau bewirkt, daß die Brennstoffzellen-Einheiten 30 im Brennstoffzellen-Stapel 120 inengem Kontakt miteinander gehalten werden. Ein Amperemeter AM istam Brennstoffzellen-Stapel 120 befestigt. Erste bis vierte SpannungsmesserVM1 bis VM4 sind jeweils an den ersten bis vierten Brennstoffzellen-Blöcken B1bis B4 angebracht.
[0062] Wiein 10(a) gezeigt, istder erste Einsatz 131 der Sammelrohrplatte 130 soausgebildet, daß erden Strom des Oxidationsgases auf ein erstes Oxidationsgas-VerteilerrohrM11 und ein zweites Oxidationsgas-Verteilerrohr M21 der ersten undder zweiten Brennstoffzellen-BlöckeB1 und B2 verteilt. Der zweite Einsatz 132 der Sammelrohrplatte 130 ist soausgebildet, daß erden Strom des Oxidationsgases auf ein drittes Oxidationsgas-VerteilerrohrM31 und ein viertes Oxidationsgas-Verteilerrohr M41 der drittenund vierten Brennstoffzellen-BlöckeB3 und B4 verteilt. Wie in 10(b) gezeigt,ist der erste Einsatz 131 der Sammelrohrplatte 130 soausgebildet, daß erden Strom des Brenngases auf ein erstes Brenngas-Verteilerrohr M12und ein zweites Brenngas-Verteilerrohr M22 der ersten und der zweiten Brennstoffzellen-Blöcke B1 undB2 verteilt. Der zweite Einsatz 132 der Sammelrohrplatte 130 istso ausgebildet, daß erden Strom des Brenngases auf ein drittes Brenngas-VerteilerrohrM32 und ein viertes Brenngas-Verteilerrohr M42 der dritten und dervierten Brennstoffzellen-BlöckeB3 und B4 verteilt. Der Oxidationsgasstrom und der Brenngasstrom,die auf die einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten 30 verteilt werden,strömendurch die entsprechenden Gasleitungen, die innerhalb der einzelnenBrennstoffzellen-Einheiten 30 ausgebildet sind, und werdendurch erste bis vierte Oxidationsgas-Abgassammelrohre M13, M23,M33 und M43 und erste bis vierte Brennstoff-Abgassammelrohre M14,M24, M34 und M44 der ersten bis vierten Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4hinaus befördert.Erste bis vierte Oxidationsgasgegendruck-Regelventile (erste bisvierte Luftgegendruck-Regelventile) AV1 bis AV4 als Magnetventile sindentlang des Austragswegs des Oxidationsgases von den ersten bisvierten Oxidationsgas-Abgassammelrohren M13, M23, M33 und M43 angeordnet.Erste bis vierte Brenngasgegendruck-Regelventile (erste bis vierte Wasserstoffgegendruck-Regelventile) HV1bis HV4 als Magnetventile sind entlang des Austragswegs des Brenngasesvon den ersten bis vierten Brenngas-Abgassammelrohren M14, M24,M34 und M44 angeordnet. Jedes der Gegendruck-Regelventile AV1 bisAV4 und HV1 bis HV4 weist einen Ventilteller Va auf (welcher demRegulierungsmodul der Erfindung entspricht), um die Gasdurchtrittsfläche (den Öffnungsbereich)zu regulieren, und einen Aktor Vb (der dem Betätigungsmodul der Erfindung entspricht),der den Ventilteller Va als Antwort auf ein Steuersignal von derelektronischen Steuereinheit 80 betätigt, wie in 11 dargestellt.
[0063] Dieelektronische Steuereinheit 80 umfaßt eine CPU 82, einenROM 84 und einen RAM 86, wie die erste Ausführungsform.Die elektronische Steuereinheit 80 empfängt über ihren (nicht gezeigten)Eingangsport Erfassungssignale von den ersten bis vierten VoltmeternVM1 bis VM4, von dem Amperemeter AM und von der Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68,die den Neigungswinkel des Fahrzeugs mißt, ebenso wie ein GaspedalöffnungssignalAP, ein Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V und elektrische Signalevom Stromwandler, der im Betätigungsmechanismus 14 enthaltenist, wie in 12 dargestellt. ImAufbau der zweiten Ausführungsformmißt die Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 dieNeigung eines Fahrzeug, das auf einer geneigten Straße steht.Ansonsten kann die Fahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 die Änderungdes Fahrzeugverhaltens aufgrund der Stöße der einzelnen Radaufhängungenoder aufgrund der Beschleunigung des Fahrzeugs ermitteln. Die elektronischeSteuereinheit 80 gibt überihren (nicht dargestellten) Ausgangsport Steuersignale an die erstenbis vierten Luftgegendruck-Regelventile AV1 bis AV4 und an die erstenbis vierten Wasserstoffgegendruck-Regelventile HV1 bis HV4 aus,ebenso wie Steuersignale an das Strom ventil 62, um denLuftstrom zu regulieren, an das Stromventil 66, um denWasserstoffstrom zu regulieren, und an den Stromwandler und denZugmotor, die im Betätigungsmechanismus 14 enthaltensind. Eine Aufzeichnung des Innenwiderstands Ri gegen den Wassergehaltin jedem Brennstoffzellen-Block ist in Form eines in 13 dargestellten Kennfeldsim ROM 84 der elektronischen Steuereinheit 80 hinterlegt.Die Aufzeichnung von 13 wirdim voraus experimentell oder empirisch bestimmt. Im Kennfeld dieserAusführungsformweist jeder Brennstoffzellen-Block einen angemessenen Wassergehaltauf, wenn der Innenwiderstand Ri die (Un)gleichung C1 ≤ Ri ≤ C2 erfüllt, einenzu hohen Wassergehalt (Überflutung),wenn der Innenwiderstand Ri die Ungleichung Ri < C1 erfüllt, und einen zu niedrigenWassergehalt (Austrocknung), wenn der Innenwiderstand Ri die UngleichungC2 < Ri erfüllt. Hierbezeichnen C1 und C2 Werte, die im voraus experimentell oder empirischfestgesetzt wurden.
[0064] Imfolgende werden Funktionsabläufeeines Fahrzeugs der zweiten Ausführungsformbeschrieben, das wie oben erörtertaufgebaut ist. Wie in 12 gezeigt,empfängtdie CPU 82 der elektronischen Steuereinheit 80 aktuelleEingangssignale vom GaspedalöffnungssignalAP und vom Fahrzeuggeschwindigkeitssignal V und setzt eine LeistungsfähigkeitsforderungP als Antwort auf diese Eingangssignale fest. Die CPU 82 bestimmtden Luftstrom und den Wasserstoffstrom, die dem Brennstoffzellen-Stapel 120 zugeführt werdenmüssen,um eine elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellen-Stapels 120 sicherzustellen,die einer Leistungsanforderung P entspricht, und reguliert die Stromventile 62 und 66 in Übereinstimmungmit der Bestimmung des Luft- undWasserstoffstroms. Das Fahrzeug fährt dementsprechend so, daß die elektrischeAusgangsleistung vom Brennstoffzellen-Stapel 120 den Anforderungen desFahrers entspricht.
[0065] DieSteuerung dieser Ausführungsformhält denWassergehalt im Brennstoffzellen-Stapel 120 auf einem geeignetenNiveau, währenddas Fahrzeug fährt.Im Ausgangszustand werden die ersten bis vierten Luftgegendruck-RegelventileAV1 bis AV4 und die ersten bis vierten Wasserstoffgegendruck-RegelventileHV1 bis HV4 in ihre einzelnen Bezugsstellungen gebracht, das heißt in dieMitte zwischen den völligge öffnetenund völliggeschlossenen Stellungen. Im Ausgangszustand werden außerdem dieWerte fürdie Prozeßzähler unddie Zeitgeber, die in die elektronische Steuereinheit 80 eingebautsind, auf 0 gesetzt, währenddie Werte fürdie Austrocknungs-Flags FD1 bis FD4 und für die Überflutungs-Flags FF1 bis FF4der einzelnen Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 auf 0 gesetzt werden. Jedes der Austrocknungs-Flags FD wird während desAufhebungsprozesses fürden Austrocknungszustand auf 1 gesetzt und wird ansonsten auf 0zurückgesetzt.Jedes der Überflutungs-FlagsFF wird währenddes Aufhebungsprozesses fürden Überflutungszustand auf1 gesetzt und wird ansonsten auf 0 zurückgesetzt.
[0066] 14 ist ein Ablaufschema,das eine Wassermengen-Anpassungsroutine zeigt, die von der CPU 82 derelektronischen Steuereinheit 80 ausgeführt wird. Diese Routine istim ROM 84 hinterlegt und wird von der CPU 82 invoreingestellten Zeitintervallen wiederholt (beispielsweise allepaar ms). Wenn diese Routine beginnt, setzt die CPU 82 zuerst einenWert „1" für den Prozeßzähler n (wobein eine ganze Zahl darstellt) (Schritt 5200) und bestimmt,ob eines von dem Austrocknungs-Flag FDn und dem Überflutungs-Flag FFn 1 auf1 gesetzt ist (Schritt S202). Wenn keines der Flags FDn und FFnauf 1 gesetzt ist, das heißt,wenn sowohl das Flag FDn als auch das Flag FFn auf 0 gesetzt sind,berechnet die CPU 82 den Innenwiderstand Ri des n-ten Brennstoffzellen-Blocks anhand derStromaufnahme, die von dem Amperemeter AM gemessen wird, und der Spannung,die von einem n-ten Voltmeter VMn gemessen wird (Schritt S204),und bestimmt, ob der errechnete Innenwiderstand Ri die UngleichungRi < C1 erfüllt (SchrittS206). Wenn Ri < C1erfülltist, wird gemäß dem Kennfeldder 13 bestimmt, daß der n-teBrennstoffzellen-Block überflutetist. Demgemäß regeltdie CPU 82 ein n-tes Luftgegendruck-Regelventil AVn undein n-tes Wasserstoffgegendruck-RegelventilHVn aus den Bezugspositionen in die einzelnen Öffnungsrichtungen, um die Luft-und Wasserstoffströmein den n-ten Brennstoffzellen-Block zu erhöhen (Schritt S208). Dann setztdie CPU 82 das Überflutungs-FlagFFn auf 1, stellt eine vorgegebene Zeit auf dem Zähler einund beginnt mit dem Countdown (Schritt S210). So wird der zu hoheWassergehalt im nt-ten Brennstoffzellen-Block effizient mit den Gas strömen abgeführt. DieGegendruck-Regelventile AVn und HVn können in ihre völlig geöffnetenoder halb geöffnetenStellungen gebracht werden.
[0067] Wennandererseits Ri < Ciin Schritt S206 nicht erfülltist, das heißt,falls C1 < Ri,bestimmt die CPU 82 anschließend, ob der errechnete InnenwiderstandRi die Ungleichung R2 < Rierfüllt(Schritt S212). Wenn C2 < Rierfülltist, wird bestimmt, daß dern-te Brennstoffzellen-Block gemäß dem Kennfeld von 3 im Austrocknungszustandist. Die CPU 82 regelt demgemäß das n-te Luftgegendruck-RegelventilAVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihrenBezugsstellungen in die einzelnen Schließrichtungen, um die Luft- undWasserstoffströmeim n-ten Brennstoffzellen-Block zurückzuhalten (Schritt S214).Die CPU 82 setzt dann das Austrocknungs-Flag FDn auf 1,stellt eine vorgegebene Zeit auf dem Zähler ein und beginnt den Countdown(Schritt S214). Das befeuchtete Wasserstoffgas und die befeuchteteLuft werden auf diese Weise im n-ten Brennstoffzellen-Block zurückgehalten,um den Wassergehalt zu erhöhen.Die Gegendruck-Regelventile AVn und HVn können in die völlig geschlosseneoder in die halb geschlossene Stellung gebracht werden.
[0068] Wenneiner von dem Austrocknungs-Flag FDn und dem Überflutungs-Flag FFn bei SchrittS202 auf 1 gesetzt ist, setzt der Zeitgeber den Countdown fort.Dann wird bestimmt, ob die Zählungauf dem Zeitgeber 0 erreicht hat, das heißt, ob die vorgegebene Zeitvergangen ist (Schritt S218). Wenn die vorgegebene Zeit um ist,bringt die CPU 220 das n-te Luftgegendruck-RegelventilAVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn wieder inihre Bezugspositionen (Schritt S220) und setzt das Austrocknungs-FlagFDn und das Überflutungs-FlagFFn auf 0 zurück(Schritt S222). Die vorgegebene Zeit bezüglich des Überflutungszustands wird empirischbestimmt und stellt den Zeitraum ab der Öffnungsbetätigung der Gegendruck-Regelventilein einem überflutetenBrennstoffzellen-Block dar, der erforderlich ist, um die überflüssige Wassermengebis auf ein geeignetes Maß abzuführen. Dievorgegebene Zeit bezüglichdes Austrocknungszustands wird empirisch bestimmt und stellt denZeitraum dar, der ab der Schließbetätigung derGegendruck-Regelventile in einem ausgetrockneten Brennstoffzellen-Blockerforderlich ist, um den Wassergehalt auf ein geeignetes Maß zu er höhen. Dievorgegebene Zeit bezüglich des Überflutungszustandskann mit der vorgegebenen Zeit bezüglich des Austrocknungszustands übereinstimmenoder davon abweichen.
[0069] Wennin Schritt S218 festgestellt wird, daß die vorgegebene Zeit nochnicht um ist, nachdem in Schritt S222 beide Flags FDn und FFn auf0 gesetzt wurden, nachdem in Schritt S210 oder in Schritt S216 derCountdown des Zeitnehmers gestartet wurde, oder wenn in SchrittS212 C2 < Ri nichterfülltist, das heißt,wenn der errechnete Innenwiderstand Ri des n-ten Brennstoffzellen-Blocksim geeigneten Bereich C1 ≤ Ri ≤ C2 liegt, ändert dieCPU 82 schrittweise den Wert n des Prozeßzählers umeins (Schritt S224) und bestimmt, ob der erhöhte Wert n des Prozeßzählers denMaximalwert (4 in dieser Ausführungsform) übersteigt(Schritt S226). Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert nicht übersteigt,kehrt das Programm zu Schritt S202 zurück und führt die Prozesse ab oder nachSchritt S202 aus. Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert übersteigt,beendet das Programm diese Routine. Bei dieser Vorgehensweise wirdder Innenwiderstand Ri in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 berechnet, und die Gegendruck-Regelventile werden aufgrund deserrechneten Innenwiderstands Ri in Öffnungsrichtung oder in Schließrichtunggeregelt, um so den geeigneten Wassergehalt in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 zu erreichen.
[0070] EineNeigungsantwort-Routine wird als Teil des Prozesses durchgeführt, umden Wassergehalt im Brennstoffzellen-Stapel 120 auf geeigneterHöhe zuhalten, währenddas Fahrzeug fährt. 15 ist ein Ablaufschema,das diese Neigungsantwort-Routine zeigt. Diese Routine ist im ROM 84 hinterlegtund wird von der CPU 82 zu vorgegebenen Zeiten wiederholt(beispielsweise alle paar ms). Wenn diese Routine gestartet wird,empfängtdie CPU 82 zuerst ein Eingangssignal für den Neigungswinkel, der von derFahrzeugneigungswinkel-Meßeinheit 68 gemessenwird (Schritt S300), und stellt aufgrund des eingegangenen Neigungswinkelsfest, ob das Fahrzeug horizontal ausgerichtet ist (Schritt S310).Wenn das Fahrzeug horizontal ausgerichtet ist, setzt die CPU 82 dieMittelstellungen zwischen den völliggeöffnetenStellungen und den völligge schlossenen Stellungen als Bezugsstellungen für die Luftgegendruck-RegelventileAV1 bis AV4 und die Wasserstoffgegendruck-Regelventile HV1 bis HV4sämtlicherBrennstoffzellen-BlöckeB1 bis B4 fest (Schritt S320). Diese Routine wird dann beendet.Die Bezugsstellungen in diesem Zustand sind mit den Bezugsstellungenim Ausgangszustand identisch. Wenn das Fahrzeug in Schritt S310andererseits nicht horizontal ausgerichtet ist, bestimmt die CPU 82 denBrennstoffzellen-Block (oder auch mehrere Brennstoffzellen-Blöcke), dersich von den Brennstoffzellen-BlöckenB1 bis B4, aus denen der Brennstoffzellen-Stapel 120 besteht,am weitesten unten befindet, und setzt weiter geöffnete Stellungen als die Mittelstellungals Bezugsstellungen fürdas Luftgegendruck-Regelventil und das Wasserstoffgegendruck-Regelventildes bestimmten Brennstoffzellen-Blocks fest (Schritt S330). DieseRoutine wird dann beendet. Der Brennstoffzellen-Block, der sicham weitesten unten im Brennstoffzellen-Stapel 120 befindet,tendiert wegen der Schwerkraft zu einem hohen Wassergehalt. Durch Festsetzenvon Bezugsstellungen der Gegendruck-Regelventile in dem Brennstoffzellen-Block, deram weitesten unten ist, die weiter geöffnet sind als die Mittelstellungen,werden die Luft- und Wasserstoffströme verstärkt. Dieser Schritt verhindertauf erwünschteWeise die Erhöhungdes Wassergehalts. Die Stellungen der Gegendruck-Regelventile, diein Schritt S208 geregelt werden, sollten weiter offen sein als diein Schritt S S330.
[0071] Dieim Brennstoffzellen-Stapel 120 enthaltenen Brennstoffzellen-Einheiten 30 enthaltenhäufig unterschiedlichhohe Wassermengen. Im Aufbau der zweiten Ausführungsform wird der Brennstoffzellen-Stapel 120 daherin mehrere Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 aufgeteilt, und die einzelnen Brennstofzellen-Blöcke B1 bisB4 werden gesteuert, um das enthaltene Wasser abzuleiten. DieseAnordnung leitet das Wasser aus den Brenngasleitungen und den Oxidationsgasleitungender Brennstoffzellen-Einheiten 30, die in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 enthalten sind, wirkungsvoll ab, wodurch der Wassergehalt aufein geeignetes Maß gesenktwird. Der Aufbau dieser Ausführungsformerfordert keine Umgehungsleitung in den Brennstoffzellen-Einheiten 30,im Gegensatz zum Aufbau des angeführten Patentdokuments 1. Indem kennzeichnenden Aufbau dieser Ausführungsform wird der Rahmeneiner Brenn stoffzellen-Einheit 30 verwendet, die den bereitsvorhandenen entspricht, und die Größe des Brennstoffzellen-Stapels 120 wirdnicht wesentlich erhöht.
[0072] Wennein bestimmter Brennstoffzellen-Block überflutet ist, werden die Gegendruck-Regelventile imOxidationsgas-Abgassammelrohr und im Brenngas-Abgassammelrohr ausden Bezugsstellungen in Öffnungsrichtunggeregelt, um die Öffnungsbereiche zuverbreitern. Dadurch wird das Wasser aus den Oxidationsgasleitungenund den Brenngasleitungen der einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten,die in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block enthalten sind, wirksamentfernt, wodurch der Wassergehalt auf ein geeignetes Maß gesenktwird. Wenn ein bestimmter Brennstoffzellen-Block andererseits ausgetrocknetist, werden die Gegendruck-Regelventile im Oxidationsgas-Abgassammelrohrund im Brenngas-Abgassammelrohr aus der Bezugsstellung in Schließrichtunggeregelt, um die Öffnungsbereiche zuverengen. Dies bewirkt günstigerweise,daß das befeuchteteWasserstoffgas und die befeuchtete Luft in den Oxidationsgasleitungenund den Brenngasleitungen der in einem bestimmten Brennstoffzellen-Blockenthaltenen einzelnen Brennstoffzellen-Einheiten zurückgehaltenwerden, wodurch der Wassergehalt auf ein geeignetes Maß erhöht wird. DerBezugsbereich der Erfindung entspricht dem Öffnungsbereich des Oxidationsgas-Abgassammelrohrsoder des Brenngas-Abgassammelrohrs, wenn das entsprechende Gegendruck-Regelventilin seine Bezugsposition gesetzt ist.
[0073] DerWassergehalt tendiert aufgrund der Schwerkraft zu einem Ansteigenim untersten Brennstoffzellen-Block der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4,aus denen der Brennstoffzellen-Stapel 120 besteht. Im unterstenBrennstoffzellen-Block werden Bezugsstellungen für die Gegendruck-Regelventile desOxidationsgas-Abgassammelrohrs und des Brenngas-Abgassammelrohrsfestgesetzt, die weiter offen als die Mittelstellungen sind. Dadurchwird die Ableitung des enthaltenen Wassers beschleunigt.
[0074] Nachstehendwerden einige Beispiele für mögliche Modifikationenangegeben. Die Anordnung der zweiten Ausführungsform regelt die Gegendruck-Regelventilein einem überflutetenBrennstoffzellen-Block aus den Bezugsstellungen in Öffnungs richtung,um die Öffnungsbereichezu verbreitern und um die Ableitung des enthaltenen Wassers zu beschleunigen.In einer möglichenModifikation der zweiten Ausführungsformkönnendie Gegendruck-Regelventile in die völlig geschlossene Stellunggebracht und anschließendvölliggeöffnetwerden, um ein Stoß zuerzeugen und dadurch das enthaltene Wasser abzuleiten, wie in derSteuerung der ersten Ausführungsform.Die Anordnung der ersten Ausführungsformerzeugt einen Stoß,um das enthaltene Wasser abzuleiten. In einer möglichen Modifikation der erstenAusführungsformkann die Mittelstellung zwischen der völlig geöffneten Stellung, in der dieOxidationsgasleitungen 36 vollständig geöffnet sind, und der völlig geschlossenenStellung, in der die Oxidationsgasleitungen 36 völlig geschlossen sind,als Bezugsstellung des röhrenförmigen Schaltelements 70 eingesetztwerden, und es kann eine Bezugsstellung für das röhrenförmige Schaltelement 70 eingesetztwerden, die weiter offen ist als die Mittelstellung, wenn sich Wassertröpfchen niedergeschlagenhaben, um die Ableitung des vorhandenen Wassers zu beschleunigen.
[0075] ImAufbau der zweiten Ausführungsformsind die Gegendruck-Regelventile in den Auslässen des Brenngas-Abgassammelrohrsund des Oxidationsgas-Abgassammelrohrs in jedem Brennstoffzellen-Blockangeordnet. Die Gegendruck-Regelventile können durch das röhrenförmige Schaltelement 70 undden Schrittmotor 79 fürdas Betätigendes röhrenförmigen Schaltelements 70 ersetztwerden, die im Aufbau der ersten Ausführungsform enthalten sind.Das vom Schrittmotor 79 betätigte röhrenförmige Schaltelement 70 regeltden Öffnungsbereichjedes Abgassammelrohrs, wodurch ähnlicheWirkungen erzielt werden wie in der zweiten Ausführungsform.
[0076] Beider Vorgehensweise der zweiten Ausführungsform werden die Stellungender Gegendruck-Regelventile so festgesetzt, daß sie weiter offen sind alsdie Bezugsstellungen, daß sieden Bezugsstellungen entsprechen oder daß sie stärker geschlossen sind als dieBezugsstellungen, je nachdem ob der Bereich des InnenwiderstandsRi die (Un)gleichungen Ri < C1,C1 ≤ Ri ≤ C2 oder C2 < Ri erfüllt. Jenach Bedarf kann auch eine genauere Positionssteuerung verwendetwerden. Beispielsweise kann eine modifizierte Steuerung die Gegendruck-Regelventilein einem Bereich von C0 ≤ Ri < C1 noch nicht indie vollständiggeöffneteStellung bringen, und in einem Bereich von R < C0 in die völlig geöffnete Stellung, wohingegendie Steuerung der zweiten Ausführungsformdie Gegendruck-Regelventile im Bereich von Ri < C1 vollständig öffnet.
[0077] DerAufbau der zweiten Ausführungsformregelt sowohl das Luftgegendruck-Regelventilals auch das Wasserstoffgegendruck-Regelventil in Öffnungsrichtungoder in Schließrichtung,wenn der Brennstoffzellen-Block überflutetwird oder austrocknet. ÄhnlicheWirkungen könnenerhalten werden, wenn lediglich das Luftgegendruck-Regelventil in Öffnungsrichtungoder in Schließrichtunggeregelt wird, oder wenn lediglich des Wasserstoffgegendruck-Regelventilin Öffnungsrichtungoder in Schließrichtung geregeltwird.
[0078] ImAufbau der zweiten Ausführungsform weistder Brennstoffzellen-Stapel 120 zwei Reihen L1 und L2 auf,und jede Reihe ist in zwei Teile geteilt. Das heißt, es sindinsgesamt vier Brennstoffzellen-Blöcke B1 bis B4 vorhanden. Ineinem weiteren, in 16 gezeigtenBeispiel, ist jede Reihe in drei Teile eingeteilt, und es sind insgesamtsechs Brennstoffzellen-BlöckeB1 bis B6 vorhanden. In diesem modifizierten Aufbau, wo jede Reihein drei Teile geteilt ist, stehen die Brennstoffzellen-Blöcke B1,B3, B4 und B6 an den einzelnen Enden jeweils mit einer Endplatte 225 oder 226 odereiner Verbindungsplatte 227 in Kontakt. Die Wärmeabgabe über dieseEndplatten 225 und 226 und die Verbindungsplatte 227 senktdie Temperatur in diesen End-Brennstoffzellen-Blöcken B1, B3, B4 und B6, diesomit zur Überflutungneigen. Der mittlere Brennstoffzellen-Block B2 befindet sich zwischenden Wärmeerzeugenden Brennstoffzellen-BlöckenB1 und B3, und der mittlere Brennstoffzellen-Block B5 befindet sichzwischen den Wärmeerzeugenden Brennstoffzellen-Blöcken B4und B6. Diese mittleren Brennstoffzellen-Blöcke B2 und B5 geben daher nichtohne weiteres Wärme ab,sondern neigen zum Austrocknen. Die einzelnen Brennstoffzellen-Blöcke enthaltendementsprechend verschieden großeWassermengen. Das Verfahren der Erfindung ist in solch einem Aufbaubemerkenswert effizient.
[0079] Beider Vorgehensweise der zweiten Ausführungsform wird die im Ablaufschemader 14 gezeigte Wassermengen-Anpassungsroutinedurchgeführt.Es kann auch eine andere, im Ablaufschema der 17 gezeigte, Wassermengen-Anpassungsroutinedurchgeführtwerden. In dieser modifizierten Routine, setzt die CPU 82 zuersteinen Wert „1" für einenProzeßzählerwertn ein (wobei n eine ganze Zahl darstellt) (Schritt S400), berechnetden Innenwiderstand Ri eines n-ten Brennstoffzellen-Blocks anhandder Eingangssignale fürden Strom, die vom Amperemeter gemessenen werden, und für die Spannung,die von einen n-ten Spannungsmesser VMn gemessen werden (SchrittS402) und bestimmt, ob der errechnete Innenwiderstand Ri die UngleichungRi < C1 erfüllt (SchrittS404). Wenn Ri < C1erfülltist, regelt die CPU 82 das n-te Luftgegendruck-RegelventilAVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihrenBezugsstellungen in die einzelnen Öffnungsrichtungen, um die Luft- undWasserstoffströmein den n-ten Brennstoffzellen-Block zu verstärken (Schritt S406). Wenn andererseitsRi < C1 in SchrittS404 nicht erfülltist, das heißt,im Fall von C1 ≤ Ri,bestimmt die CPU 82 anschließend, ob der errechnete Innenwiderstanddie Ungleichung C2 < Rierfüllt(Schritt S408). Wenn C2 < Rierfülltist, regelt die CPU 82 das n-te Luftgegendruck-RegelventilAVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-Regelventil HVn aus ihrenBezugsstellungen in die einzelnen Schließrichtungen, um die Luft- undWasserstoffströmeim n-ten Brennstoffzellen-Block zurückzuhalten (Schritt S410).Wenn C2 < Ri inSchritt S408 nicht erfülltist, das heißt,wenn der errechnete Innenwiderstand Ri im Bereich von C1 ≤ Ri ≤ C2 liegt,wird bestimmt, ob der Wassergehalt im n-ten Brennstoffzellen-Blockin einem geeigneten Bereich liegt. Die CPU 82 stellt dementsprechenddas n-te Luftgegendruck-Regelventil AVn und das n-te Wasserstoffgegendruck-RegelventilHVn auf die Bezugsstellungen ein (Schritt S412). Nach Durchführung dereinzelnen Schritte S406, S410 und S412 erhöht die CPU 82 denWert des Prozeßzählers num eins (Schritt S414) und bestimmt, ob der erhöhte Wert des Prozeßzählers nseinen Maximalwert (4 in dieser Ausführungsform) übersteigt(Schritt S416). Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert nicht übersteigt,kehrt das Programm zu Schritt S402 zurück und führt den Prozeß ab SchrittS402 aus. Wenn der Wert n des Prozeßzählers den Maximalwert übersteigt,beendet das Programm diese Routine. Bei dieser modifizierten Vorgehensweise wirdauch den Innenwiderstand Ri in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke B1 bisB4 berechnet, und die Gegendruck-Regelventilewerden aufgrund des errechneten Innenwiderstands Ri in Öffnungsrichtung oderin Schließrichtunggeregelt, wodurch die geeignete Höhe des Wassergehalts in jedemder Brennstoffzellen-BlöckeB1 bis B4 erreicht wird.
[0080] DerAufbau der zweiten Ausführungsform verwendetmehrere Spannungsmesser VM1 bis VM4, die an mehreren Spannungsmeßpunktenangeordnet sind. Ein Spannungsmesser vom Scanner-Typ, der mehrereSpannungsmeßpunkteabtastet, kann verwendet werden, um den Aufbau des Brennstoffzellen-Systemszu vereinfachen.
[0081] Inder oben erörtertenAusführungsformist das Brennstoffzellen-System 12 in einem Fahrzeug 10 eingebaut.Das Brennstoffzellen-System 120 kann auch in anderen Fahrzeugenund Transportmaschinen, wie Zügenund Flugzeugen, eingebaut werden und kann in beliebige Hybridsystemefür denPrivat- und Industriesektor eingebaut werden. In jedem Fall zeigendas Brennstoffzellen-System 120 und seine AnwendungsmöglichkeitenFunktionen und Wirkungen, die den oben erörterten entsprechen.
[0082] Dieoben genannten Ausführungsformensollen in allen Aspekten als erläuterndund nicht als beschränkendangesehen werden. Es könnenModifikationen, Variationen und Veränderungen vorgenommen werden,ohne vom Umfang oder Gedanken der Hauptmerkmale der vorliegendenErfindung abzuweichen. Sämtliche Änderungen,die innerhalb des Gedankens und Bereichs der Ansprüche liegen,sollen deshalb hierin eingeschlossen sein.

权利要求:
Claims (23)
[1] Brennstoffzellen-System, umfassend eine Brennstoffzelle,die durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einemOxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite vorgeseheneOxidationsgasleitung strömt,und Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durcheine an der Anodenseite vorgesehene Brenngasleitung strömt, Stromerzeugt, wobei das Brennstoffzellen-System ferner umfaßt: einSchaltelement, das den Auslaß vonmindestens einer von einer Oxidationsgasleitung und einer Brenngasleitung öffnet undschließt;und ein Betätigungsmodul,welches das Schaltelement betätigt,um den Auslaß dermindestens einen Gasleitung zu öffnenund zu schließen.
[2] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin dasBrennstoffzellen-System umfaßt: einenBrennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Reihe übereinandergeschichteter Brennstoffzellen handelt, und ein Abgassammelrohr,das mit dem Auslaß dermindestens einen Gasleitung verbunden ist, die in jeder der Brennstoffzellenenthalten ist, wobei das Schaltelement in dem Abgassammelrohr angeordnetist.
[3] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin dasBrennstoffzellen-System umfaßt: einenBrennstoffzellen-Stapel, bei dem es sich um eine Reihe von übereinandergeschichteten Brennstoffzellen handelt; ein Oxidationsgas-Abgassammelrohr,das mit den Auslässender jeweiligen Oxidationsgasleitungen verbunden ist, die in denBrennstoffzellen enthalten sind, und ein Brennstoff-Abgassammelrohr,das mit den Auslässender jeweiligen Brenngasleitungen verbunden ist, die in den Brennstoffzellenenthalten sind, wobei das Schaltelement in mindestens einemvon dem Oxidationsgas-Abgassammelrohrund dem Brennstoff-Abgassammelrohr angeordnet ist.
[4] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 3, worin derBrennstoffzellen-Stapel in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke eingeteiltist, wobei jeder der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke mehrereBrennstoffzellen umfaßt, einOxidationsgas-Abgassammelrohr in jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke bereitgestelltist und mit den Auslässender einzelnen Oxidationsgasleitungen in den mehreren Brennstoffzellen,die in den Brennstoffzellen-Blöckenbereitgestellt sind, verbunden ist, und ein Brennstoff-Abgassammelrohrin jedem der mehreren Brennstoffzellen-Blöckebereitgestellt ist und mit den Auslässen der einzelnen Brenngasleitungen dermehreren Brennstoffzellen, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthaltensind, verbunden ist.
[5] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, worin dasSchaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichsdes Schaltelements außerdem Spalt gegenüberdem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung den Öffnungsbereich desGasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt, dasAnordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber dem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung den Öffnungsbereichdes Gasleitungsauslasses erweitert.
[6] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 2, worin dasSchaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichsdes Schaltelements außerdem Spalt gegenüberdem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung den Öffnungsbereich desGasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt,und das Anordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber demAuslaß dermindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereichdes Gasleitungsauslasses erweitert.
[7] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 6, worin essich bei dem Schaltelement um ein röhrenförmiges Schaltelement handelt,dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar imAbgassammelrohr angeordnet ist.
[8] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 3, worin dasSchaltelement einen Spalt aufweist, das Anordnen des übrigen Bereichsdes Schaltelements außerdem Spalt gegenüberdem Auslaß der mindestenseinen Gasleitung den Öffnungsbereich desGasleitungsauslasses auf Null oder in Richtung auf Null verengt,und das Anordnen des Spalts des Schaltelements gegenüber demAuslaß dermindestens einen Gasleitung den Öffnungsbereichdes Gasleitungsauslasses erweitert.
[9] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 8, worin essich bei dem Schaltelement um ein röhrenförmiges Schaltelement handelt,dessen Spalt sich auf seiner Umfangsfläche befindet, und das drehbar imAbgassammelrohr angeordnet ist.
[10] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei dasBrennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Betätigungssteuerungsmodul,welches das Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Schaltelement betätigt,um zuerst den Öffnungsbereichdes Auslasses der mindestens einen Gasleitung auf Null oder in Richtungauf Null zu verengen, und um anschließend den Öffnungsbereich des Gasleitungsauslasseszu erweitern, wodurch ein Stoß inder Gasleitung erzeugt wird.
[11] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worindas Betätigungssteuerungsmoduldas Betätigungsmodulsteuert, um in der mindestens einen Gasleitung ent sprechend demZustand eines Wasserniederschlags in der Gasleitung einen Stoß zu erzeugen.
[12] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worindas Betätigungssteuerungsmoduldas Betätigungsmodulso steuert, daß esden Stoß inder mindestens einen Gasleitung entweder dann erzeugt, wenn dieAusgangsleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Ausgangsleistungsniveau überschreitet,oder wenn die Höheder Integralleistung der Brennstoffzelle ein vorgegebenes Leistungsniveau überschreitet.
[13] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, wobeidas Brennstoffzellen-System umfaßt: ein Speichermodul,welches das Ausgangsleistungsverhalten der Brennstoffzelle speichert,wenn ein Wassertröpfchen-Niederschlagin der mindestens einen Gasleitung gegeben ist, wobei das Betätigungssteuerungsmoduldas Betätigungsmodulso steuert, daß eseinen Stoß inder Gasleitung erzeugt, wenn das beobachtete Ausgangsleistungsverhalteneiner in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle im wesentlichen mitdem Ausgangsleistungsverhalten übereinstimmt,das in dem Speichermodul hinterlegt ist.
[14] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 10, worindas Betätigungssteuerungsmoduldas Betätigungsmodulsteuert, um in regelmäßigen Abständen einenStoß inder mindestens einen Gasleitung zu erzeugen.
[15] Brennstoffzellen-System, umfassend eine Brennstoffzelle,die durch die elektrochemische Reaktion von Sauerstoff, der in einemOxidationsgas enthalten ist, das durch eine an der Kathodenseite bereitgestellteOxidationsgasleitung strömt,und Wasserstoff, der in einem Brenngas enthalten ist, das durcheine an der Anodenseite bereitgestellte Brengasleitung strömt, Stromerzeugt, wobei das Brennstoffzellen-System umfaßt: einen Brennstoffzellen-Stapel,bei dem es sich um eine Reihe übereinandergeschichteter Brennstoffzellen handelt, und der in mehrere Brennstoffzellen-Blöcke aufgeteiltist, wobei jeder der Brennstoffzellen-Blöcke mehrere Brennstoffzellenumfasst; Oxidationsgas-Abgassammelrohre, von denen jedes mitden Ausgängender einzelnen Oxidationsgasleitungen der mehreren Brennstoffzellenverbunden ist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Brennstoff-Abgassammelrohre,von denen jedes mit den Auslässender einzelnen Brenngasleitungen der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke verbundenist, die in jedem Brennstoffzellen-Block enthalten sind; Regelungsmodule,von denen jedes den Auslaßöffnungsbereichvon mindestens einem von dem Oxidationsgas-Abgassammelrohr und demBrennstoff-Abgassammelrohrin jedem Brennstoffzellen-Block regelt; und ein Betätigungsmodul,welches die Regelungsmodule betätigt.
[16] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 15, wobeidas Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Parameter-Meßmodul,das einen Parameter mißt,der sich auf die Höhedes Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; einWassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedemder Brennstoffzellen-Blöckeaufgrund des von dem Parameter-Meßmodul gemessenenParameters bestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul, welchesdas Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Regelungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der lautWassermengen-Bestimmungsmodul einen zu hohen Wassergehalt aufweist,betätigt,um den Auslaßöffnungsbereichdes mindestens einen Abgas-Sammelrohrs zu vergrößern, so daß er größer wird als ein vorgegebenerBezugsbereich.
[17] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 16, worindas Parameter-Meßmodulden Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke mißt, und dasWassermengen-Bestimmungsmodul bestimmt, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Blockzu viel Wasser enthält,wenn der beobachtete Innenwiderstand des bestimmten Brennstoffzellen-Blocksunterhalb eines voreingestellten geeigneten Bereichs liegt.
[18] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 15, worindas Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Parameter-Meßmodul,das einen Parameter mißt,der sich auf die Höhedes Wassergehalts in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke bezieht; einWassermengen-Bestimmungsmodul, welches die Höhe des Wassergehalts in jedemder Brennstoffzellen-Blöckeaufgrund des von dem Parameter-Meßmodul gemessenen Parametersbestimmt; und ein Betätigungssteuerungsmodul,welches das Betätigungsmodulso steuert, daß esdas Regelungsmodul in einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der lautWassermengen-Bestimmungsmodul einen unzureichenden Wassergehaltaufweist, betätigt,um den Auslaßöffnungsbereichdes mindestens einen Abgassammelrohrs zu verkleinern, so daß er kleiner wirdals ein vorgegebener Bezugsbereich.
[19] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 18, worindas Parameter-Meßmodulden Innenwiderstand in jedem der Brennstoffzellen-Blöcke mißt, und dasWassermengen-Bestimmungsmodul bestimmt, daß ein bestimmter Brennstoffzellen-Blockeinen zu geringen Wassergehalt aufweist, wenn der beobachtete Innenwiderstanddes bestimmten Brennstoffzellen-Blocks über einem voreingestelltengeeigneten Bereich liegt.
[20] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 16, worindas Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Blockpositions-Erkennungsmodul,das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt, worindas Betätigungssteuerungsmodulden voreingestellten Bezugsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrsin einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Blockpositions-Erkennungsmodul untenangeordnet ist, vergrößert.
[21] Brennstoffzellen-System nach Anspruch 18, worindas Brennstoffzellen-System weiter umfaßt: ein Blockpositions-Erkennungsmodul,das die Lagebeziehung der mehreren Brennstoffzellen-Blöcke erkennt, wobeidas Betätigungssteuerungsmodulden voreingestellten Bezugsbereich des mindestens einen Abgassammelrohrsin einem bestimmten Brennstoffzellen-Block, der laut Blockpositions-Erkennungsmodul untenangeordnet ist, vergrößert.
[22] Fahrzeug, in dem ein Brennstoffzellen-System nachAnspruch 1 eingebaut ist.
[23] Fahrzeug, in dem ein Brennstoffzellen-System nachAnspruch 15 eingebaut ist.

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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CN1551395A|2004-12-01|

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US20080152987A1|2008-06-26|

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CN1271739C|2006-08-23|

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JP2005005247A|2005-01-06|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2004-12-16| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|

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2010-01-21| 8139| Disposal/non-payment of the annual fee|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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