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DE112005002853T5 - Brennstoffzellenenergiesystem und Verfahren und Programm für dessen Lagerungszustand - Google Patents

Brennstoffzellenenergiesystem und Verfahren und Programm für dessen Lagerungszustand Download PDF

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DE112005002853T5
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fuel
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Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
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Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
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Abstract

Verfahren zum Aufrechterhalten eines Zustands eines Brennstoffzellenenergiesystems, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wobei das Brennstoffzellenenergiesystem einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von elektrischen Zellen hergestellt wird, die jeweils eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassen, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, und eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen, umfasst, wobei das Verfahren die Schritte
des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist,
des Anlegens eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung durch den Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen ist, bis...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das durch eine elektrochemische Reaktion, die durch Zuführen eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zu einem Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl elektrischer Zellen hergestellt worden ist, stattfindet, Energie erzeugt, sowie auch eine Technik zum Aufrechterhalten und Steuern eines Zustands, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, zu einem Zeitpunkt, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist.
  • Stand der Technik
  • Ein Brennstoffzellenenergiesystem ist eine Vorrichtung, welche die Energie eines Brennstoffs, wie z.B. Wasserstoff, dadurch elektrochemisch in elektrische Energie umwandelt, dass der Brennstoff und ein Oxidationsmittel, wie z.B. Luft, einer Brennstoffzelle in geeigneter Weise zugeführt werden, so dass sie reagieren, und dann die elektrische Energie entnimmt. Das Brennstoffzellenenergiesystem ist relativ klein, funktioniert jedoch effizient und arbeitet umweltfreundlich. Darüber hinaus kann es dadurch als Hilfserzeugungssystem verwendet werden, dass Wärme rückgewonnen wird, die durch die Energieerzeugung erzeugt worden ist, um heißes Wasser oder Dampf zu erzeugen.
  • Solche Brennstoffzellen werden abhängig vom Typ des Elektrolyten in verschiedene Typen eingeteilt. Von diesen Brennstoffzellen können Festpolymerbrennstoffzellen, bei denen eine Festpolymerelektrolytmembran als Elektrolyt verwendet wird, bei niedrigen Temperaturen arbeiten und zeigen eine hohe Energiedichte, und sind demgemäß zur Verwendung als ein kleines Hilfserzeugungssystem im Hinblick auf eine allgemeine Verwendung im Haushalt oder als Antriebsenergiequelle für Elektrofahrzeuge geeignet. Es wird folglich erwartet, dass sich das Marktvolumen von Festpolymerbrennstoffzellen rasch ausweiten wird.
  • Ein Festpolymer-Brennstoffzellenenergiesystem, wie z.B. ein kleines Hilfserzeugungssystem für eine allgemeine Verwendung im Haushalt, umfasst: Einen Reformer, der ein Wasserstoffenthaltendes Gas aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie z.B. Stadtgas oder LPG, er zeugt, einen Brennstoffzellenstapel, der durch Zuführen des Wasserstoff-enthaltenden Gases, das durch den Reformer erzeugt worden ist, und von Umgebungsluft zu einer Anode bzw. einer Kathode eine elektromotorische Kraft erzeugt, eine elektrische Steuereinheit, die elektrische Energie, die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt worden ist, einer externen Last zuführt, und ein Wärmerezyklierungssystem, das Wärme, die durch die Energieerzeugung erzeugt worden ist, rückgewinnt.
  • Ein Brennstoff wird folglich dem Brennstoffzellenenergiesystem zugeführt, um es zu betreiben, und wenn die Energieerzeugungseffizienz, die durch den Prozentsatz der Ausgangsleistung bezogen auf die Menge des zugeführten Brennstoffs definiert ist, erhöht wird, können der Brennstoffverbrauch gesenkt und die Vorteile für den Anwender verstärkt werden. Daher ist die Energieerzeugungseffizienz ein Index für die Leistung des Brennstoffzellenenergiesystems.
  • Die Spannung des Brennstoffzellenstapels, der in dem Brennstoffzellenenergiesystem dahingehend wirkt, Energie zu erzeugen, nimmt aufgrund von verschiedenen Faktoren, die mit dem Betrieb zusammenhängen, im Zeitverlauf ab, wodurch die Energieerzeugungseffizienz des Brennstoffzellenenergiesystems vermindert wird. Um ein Brennstoffzellenenergiesystem zu erhalten, das eine hohe Energieerzeugungseffizienz aufweist, ist es am wichtigsten, dass verhindert wird, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels im Zeitverlauf abnimmt.
  • Im Allgemeinen wird der Betrieb des Brennstoffzellenenergiesystems gemäß dem Energiebedarf des Anwenders in regelmäßigen Abständen unterbrochen. Während der unterbrochene Zustand mit gestoppter Reaktionsgaszufuhr aufrechterhalten wird, tritt von außen Luft in die Anode und die Kathode der Brennstoffzelle ein. Wenn ein wasserstoffreiches Gas bei der Aufnahme des Betriebs der Anode zugeführt wird, wobei Sauerstoff sowohl an der Anode als auch an der Kathode vorliegt, wird der Katalysator der Kathode lokal zersetzt, so dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels vermindert wird. Es ist daher erforderlich, zumindest den Partialdruck von Sauerstoff in der Kathode im Vorhinein zu senken.
  • Zur Senkung des Sauerstoffpartialdrucks in der Kathode sind einige Verfahren bekannt. Beispielsweise kann der Sauerstoff vor dem Beginn des Betriebs des Brennstoffzellenenergiesystems mit Stickstoff ausgespült werden, oder eine festgelegte Last kann angeschlossen werden, wenn ein Brennstoff zugeführt wird, so dass der Sauerstoff, der in der Kathode zurückbleibt, verbraucht wird. Wenn die Kathode in einer Sauerstoffatmosphäre belassen wird, während der unterbrochene Zustand des Brennstoffzellensystems aufrechterhalten wird, wird der Katalysator der Kathode durch das von der Kathode beibehaltene hohe Potenzial gesintert, oder die Elektrolytmembran wird durch Sauerstoff, der durch die Sauerstoffanode hindurchdringt, zersetzt.
  • Daher wird die Kathode vorzugsweise selbst dann, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, in einer reduzierenden Atmosphäre gehalten.
  • Zum Unterbrechen der Energieerzeugung wird in einer verbreitet eingesetzten Praxis der Sauerstoffpartialdruck der Kathode z.B. durch Spülen mit Stickstoff gesenkt, und dann wird die Brennstoffzelle abgeschlossen (vgl. z.B. das Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2004-6166). Alternativ wird mit der Brennstoffzelle, die mit einer externen Energieversorgung verbunden ist, Wasser elektrolysiert, und die Kathode wird mit Wasserstoff-enthaltendem Gas gefüllt. Dann wird die Brennstoffzelle abgeschlossen (vgl. z.B. das Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2002-93448). Diese Technik ermöglicht die vollständige Entfernung von restlichem Sauerstoff von der Kathode, was bei der Technik, bei der eine Stickstoffspülung eingesetzt wird, schwierig ist.
  • Die Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des bekannten Brennstoffzellenenergiesystems weist jedoch die folgenden Nachteile auf.
  • In dem im Patentdokument 1 beschriebenen Verfahren tritt eine kleine Menge Luft nach und nach von außen in die Brennstoffzelle ein, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, und zwar aufgrund der Alterungszersetzung und der funktionellen Beschränkung des Abdichtungsmittels. Als Ergebnis ist die Zeit, während der die Brennstoffzelle in einer reduzierenden Atmosphäre gehalten wird, vermindert. Daher ist das Verfahren des Patentdokuments 1 nicht für eine Unterbrechung für eine lange Zeit geeignet.
  • Andererseits beseitigt das Verfahren, das im Patentdokument 2 beschrieben ist, den Nachteil des Verfahrens, das im Patentdokument 1 beschrieben ist. Um Wasser zu elektrolysieren, so dass Wasserstoff in der Kathode erzeugt wird, muss die Spannung, die an die Anode der Brennstoffzelle angelegt wird, mindestens auf das Gleichgewichtspotenzial von 1,22 V unter Standardbedingungen eingestellt werden. Da die Anode folglich bei einem hohen Potenzial gehalten wird, wird der Katalysator gesintert oder dessen Trägerkohlenstoff wird korrodiert, wodurch der Katalysator in unerwünschter Weise zersetzt wird.
  • Wenn ein Legierungskatalysator, der eine hohe CO-Beständigkeit aufweist, wie z.B. PtRu, als Katalysator der Anode verwendet wird, wird die Elution von Bestandteilen der Legierung, wie z.B. Ru, durch die Erhöhung des Potenzials der Anode beschleunigt, wodurch die CO-Beständigkeit vermindert wird.
  • Festpolymerbrennstoffzellen erfordern, dass die Elektrolytmembran mit einer vorgegebenen Menge an Wasser benetzt wird und dass das Wasser gehalten wird. Wenn das Wasser elektrolysiert wird, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wird der Wassergehalt in der Elektrolytmembran einhergehend mit dem Wasserverbrauch vermindert, so dass die Leistung der Brennstoffzelle nach der Wiederaufnahme des Betriebs vermindert ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen, und eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Brennstoffzellenenergiesystems, das die Zersetzung des Katalysators durch Unterdrücken der Zunahme des Sauerstoffpartialdrucks in dem Brennstoffzellenstapel für einen langen Zeitraum verhindern kann und folglich die Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzelle verhindern kann, die verursacht wird, wenn das Brennstoffzellenenergiesystem in den Zustand gebracht wird, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, oder den unterbrochenen Zustand aufrechterhält, und auch die Bereitstellung eines Verfahrens und eines Programms zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Lösung der Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Wasserstoffpumpe gemäß der folgenden Reaktionsformel dadurch bereit, dass im Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, durch eine externe Schaltung ein Gleichstrom von der Kathode zur Anode angelegt wird, wobei wasserstoffreiches Gas der Anode zugeführt wird, nachdem eine Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen worden ist, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht. Die Wasserstoffpumpe überführt den Wasserstoff von der Anode zur Kathode, so dass die Kathode gefüllt wird, ohne dass die Anode bei einem hohen Potenzial gehalten wird. Der eingeschlossene Wasserstoff verbraucht den Sauerstoff, der von außen kommt, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wodurch die Zunahme des Potenzials, die durch eine Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks verursacht wird, unterdrückt wird. Anode: H2 → 2 H+ + 2 e– Kathode: 2 H+ + 2 e– → H2
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands werden die nachstehenden Schritte in einem Verfahren des Bringens eines Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und des Aufrechterhaltens des unterbrochenen Zustands durchgeführt. Das Brennstoffzellenergiesystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl elektrischer Zellen hergestellt wird, die jeweils eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisen, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen.
  • Als erstes wird im Verlauf des Bringens eines Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, ein Oxidationsmittelzuführungsleitungsschließschritt, bei dem die Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen wird, durchgeführt. Dann wird ein Schritt des Anlegens eines Gleichstroms durchgeführt, wobei sich die Oxidationsmittelzuführungsleitung durch den Oxidationsmittelzuführungsleitungsschließschritt im geschlossenen Zustand befindet. Durch den Schritt des Anlegens eines Gleichstroms wird ein Gleichstrom durch eine externe Schaltung von der Kathode zur Anode angelegt, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht. Nach dem Startpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms wird ein Oxidationsmittelaustragsleitungsschließschritt, bei dem die Oxidationsmittelaustragsleitung geschlossen wird, durchgeführt. Nach dem Endpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms wird ein Brennstoffaustrags/zuführungsleitungsschließschritt, der die Brennstoffaustragsleitung und die Brennstoffzuführungsleitung schließt, durchgeführt.
  • Ein Programm zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands und ein Brennstoffzellenenergiesystem gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die Merkmale des vorstehend beschriebenen Verfahrens zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands in einem Computerprogramm und einem System bereit.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung wird im Verlauf des Bringens eines Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, nicht nur die Anode, sondern auch die Kathode durch elektrochemisches Übertragen des wasserstoffreichen Gases, das der Anode zugeführt wird, zur Kathode mit einem wasserstoffreichen Gas gefüllt. Da der eingeschlossene Wasserstoff Sauerstoff, der von außen kommt, verbraucht, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wird eine Zunahme der Sauerstoffpartialdrücke in der Anode und der Kathode verhindert, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird.
  • Folglich kann die vorliegende Erfindung das Sintern des Katalysators, das durch die Kathode verursacht wird, die durch Erhöhen des Sauerstoffpartialdrucks während des Aufrechterhaltens des unterbrochenen Zustands bei einem hohen Potenzial gehalten wird, und die Zersetzung des Katalysators der Kathode verhindern, die auftritt, wenn das wasserstoffreiche Gas zugeführt wird, während Sauerstoff in beiden Elektroden vorliegt. Folglich kann die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators verhindert werden und die Senkung der Brennstoffzellenstapelspannung, die aus der Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators resultiert, kann verhindert werden.
  • Darüber hinaus kann das Sintern, das durch die bei einem hohen Potenzial gehaltene Anode verursacht wird, durch elektrochemisches Übertragen des wasserstoffreichen Gases, das der Anode zugeführt wird, zur Kathode, ohne dass die Anode bei einem hohen Potenzial gehalten wird, anders als bei dem Fall der Elektrolyse von Wasser verhindert werden.
  • Die vorliegende Erfindung kann ein Brennstoffzellenenergiesystem und ein Verfahren und ein Programm zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands des Systems bereitstellen. Dieses System, das Verfahren und das Programm können die Zunahme des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb des Brennstoffzellenstapels verhindern, so dass die Zersetzung des Katalysators über einen langen Zeitraum verhindert wird, und so dass die Verminderung der Brennstoffzellenleistung verhindert werden kann, die mit dem Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und dem Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands einhergeht, und zwar durch Anlegen eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung nach dem Schließen der Oxidationsmittelzuführungsleitung im Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht.
  • Das Brennstoffzellenenergiesystem, mit dem das Verfahren und das Programm zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands durchgeführt werden, umfasst: Einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von elektrischen Zellen umfasst, die übereinander gestapelt sind, wobei jede elektrische Zelle eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen, eine elektrische Steuereinheit, die einen Normallastbetriebsmodus, bei dem die elektrische Energie, die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, einer externen Last zugeführt wird, und einen Stromquellenmodus aufweist, bei dem ein Gleichstrom durch eine externe Schaltung von der Kathode zur Anode angelegt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel keine elektromotorische Kraft aufweist, und eine Systemsteuereinheit, welche die Brennstoffzuführungsleitung und die Oxidati onsmittelzuführungsleitung und die elektrische Steuereinheit steuert. Die Systemsteuereinheit schließt die Oxidationsmittelzuführungsleitung im Verlauf des Unterbrechens der Energieerzeugung, schaltet die elektrische Steuereinheit von dem Lastbetriebsmodus in den Stromquellenmodus, so dass der Gleichstrom durch die externe Schaltung von der Kathode zur Anode geleitet wird, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung während des Verlaufs der Unterbrechung der Energieerzeugung geschlossen ist, und stoppt die elektrische Steuereinheit an einem Punkt, bei dem die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, schließt die Oxidationsmittelaustragsleitung nach einem Punkt, bei dem die elektrische Steuereinheit in den Stromquellenmodus geschaltet wird, und schließt die Brennstoffaustragsleitung und die Brennstoffzuführungsleitung nach einem Punkt, bei dem die elektrische Steuereinheit bei dem Stromquellenmodus gestoppt wird.
  • Die Systemsteuereinheit des Brennstoffzellenenergiesystems umfasst einen Speicher, in dem im Vorhinein ein Betriebsablaufprogramm gespeichert worden ist, und eine CPU, die das Ablaufprogramm liest und durch einen Eingabe/Ausgabe-Abschnitt einen Steuerbefehl ausgibt. Das System umfasst ferner einen Reformer, der in der Brennstoffzuführungsleitung bereitgestellt ist, und ein Luftgebläse, das in der Oxidationsmittelzuführungsleitung bereitgestellt ist. Der Reformer und das Luftgebläse werden von der Systemsteuereinheit gesteuert, wodurch die Zufuhr von reformiertem Gas (Wasserstoff), das als Brennstoff verwendet wird, und von Luft, die als Oxidationsmittel verwendet wird, gesteuert werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer ersten Ausführungsform, auf das die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform.
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Starten der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform.
  • 4 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Vorgangs zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform.
  • 5 ist ein Graph, der einen Effekt des Verfahrens zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform zeigt und die Beziehung zwischen der Anzahl der Start/Unterbrechung-Zyklen und der effektiven Oberfläche des Katalysators der Kathode in einem Zyklustest darstellt, der mit den Brennstoffzellenenergiesystemen der ersten Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels durchgeführt worden ist.
  • 6 ist ein Graph, der einen Effekt des Verfahrens zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform zeigt und die Verhältnisse der effektiven Oberflächen der Anodenkatalysatoren nach dem Zyklustest zu den ursprünglichen effektiven Oberflächen der Katalysatoren in den Brennstoffzellenenergiesystemen der ersten Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels darstellt.
  • 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bringen eines Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer Modifizierung der ersten Ausführungsform, auf welches das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann.
  • 8 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Vorgangs zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der Modifizierung.
  • 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der ersten Ausführungsform und einer weiteren Modifizierung der ersten Ausführungsform.
  • 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren gemäß der letztgenannten Modifizierung.
  • 11 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, auf das die vorliegende Erfindung angewandt werden kann:
  • 12 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer dritten Ausführungsform, auf das die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
  • 13 ist ein Flussdiagramm eines Vorgangs zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der dritten Ausführungsform.
  • 14 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Vorgangs zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der dritten Ausführungsform.
  • 15 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer vierten Ausführungsform, auf das die vorliegende Erfindung angewandt werden kann.
  • 16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Zuführen von Wasserstoff, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vierten Ausführungsform.
  • 17 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Beste Art und Weise der Durchführung der Erfindung
  • Ausführungsformen, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird, werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
  • Erste Ausführungsform
  • Struktur
  • Die 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer ersten Ausführungsform, auf das die vorliegende Erfindung angewandt wird. Die durchgezogenen Linien, die Blöcke in der Figur verbinden, stellen Gasverbindungen dar, und die gestrichelten Linien und die Punkt-Strich-Linien stellen elektrische Verbindungen dar.
  • Gemäß der 1 umfasst das Brennstoffzellenenergiesystem der ersten Ausführungsform einen Brennstoffzellenstapel 1, einen Reformer 2 und eine elektrische Steuereinheit 3. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist in der Praxis aus einer Mehrzahl von elektrischen Zellen ausgebildet, die übereinander gestapelt sind. Jede elektrische Zelle umfasst eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten. Der in der Figur gezeigte Brennstoffzel lenstapel 1 ist aus Gründen der Einfachheit so abgebildet, als ob er aus einer Anode 1a und einer Kathode 1b zusammengesetzt wäre.
  • Ein reformiertes Gas, das durch Dampfreformieren von Stadtgas durch den Reformer 2 hergestellt wird, wird der Anode 1a des Brennstoffzellenstapels 1 durch eine Brennstoffzuführungsleitung 11 zugeführt und durch eine Brennstoffaustragsleitung 12 ausgetragen. Die Kathode 1b erhält Luft von einem Luftgebläse 4 durch eine Oxidationsmittelzuführungsleitung 13. Die Luft wird durch die Oxidationsmittelaustragsleitung 14 ausgetragen. Die elektrische Energie, die in dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugt worden ist, wird durch die elektrische Steuereinheit 3 an eine externe Last 5, wie z.B. einen Motor, abgegeben.
  • Die elektrische Steuereinheit 3 weist einen Normallastbetriebsmodus, bei dem die in dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugte elektrische Energie an die externe Last 5 abgegeben wird, und einen Stromquellenmodus auf, bei dem ein Gleichstrom durch die elektrische Steuereinheit 3 und eine externe Schaltung, die eine externe Stromversorgung 200 umfasst, von der Kathode 1b zur Anode 1a geleitet wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 1 keine elektromotorische Kraft aufweist. Eine Systemsteuereinheit 100 bringt den Reformer dazu, die Menge des reformierten Gases zu steuern, und eine Menge des reformierten Gases gemäß der Größe des Gleichstroms wird der Anode 1a zugeführt.
  • Die Leitungen 11 bis 14, durch die das reformierte Gas oder Luft dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt oder aus diesem ausgetragen wird, weisen Ventile 15 bis 18 auf, um den Brennstoffzellenstapel 1 abzuschließen. Insbesondere ist ein Anodeneinlassventil 15 zum Schließen der Brennstoffzuführungsleitung 11 am Eingang zur Anode 1a bereitgestellt, und ein Anodenauslassventil 16 zum Schließen der Brennstoffaustragsleitung 12 ist am Ausgang der Anode 1a bereitgestellt. Ferner ist ein Kathodeneinlassventil 17 zum Schließen der Oxidationsmittelzuführungsleitung 13 am Eingang zur Kathode 1b bereitgestellt, und ein Kathodenauslassventil 18 zum Schließen der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 ist am Ausgang der Kathode 1b bereitgestellt.
  • Jede der vorstehend beschriebenen Komponenten des Brennstoffzellenenergiesystems wird durch Steuerbefehle von der Systemsteuereinheit 100 gesteuert. Insbesondere schaltet die elektrische Steuereinheit 3 den Modus um und startet oder stoppt den Betrieb gemäß des Steuerbefehls von der Systemsteuereinheit 100. Der Reformer 2, das Luftgebläse 4 und die vier Ventile 15 bis 18 werden ebenfalls so gesteuert, dass sie durch den Steuerbefehl von der Systemsteuereinheit 100 gestartet oder gestoppt oder geöffnet oder geschlossen werden.
  • Die Systemsteuereinheit 100 umfasst eine CPU 101, einen Speicher 102 und einen Eingabe/Ausgabe-Abschnitt (Eingabe/Ausgabe-Element) 103. Die CPU 101 liest ein Betriebsablaufprogramm von dem Speicher 102, in dem das Ablaufprogramm im Vorhinein gespeichert worden ist, und gibt Steuerbefehle zum Öffnen oder Schließen der Ventile, zum Steuern der Ausgangsleistung des Gebläses, zum Steuern des Reformers oder zum Umschalten des Betriebsmodus der elektrischen Steuereinheit durch den Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 103 gemäß dem Ablaufprogramm aus. Die Punkt-Strich-Linien, die in der Figur gezeigt sind, stellen Signale dar, wie z.B. solche von Steuerbefehlen, die zwischen der Systemsteuereinheit 100 und den Komponenten ausgetauscht werden.
  • Die Systemsteuereinheit 100 wird z.B. durch einen Mikrocomputer implementiert, in dem ein Programm gespeichert ist, das auf das erfindungsgemäße Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gerichtet ist.
  • Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung
  • Die 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Gemäß der 2 wird dann, wenn die Systemsteuereinheit 100 einen Befehl zum Unterbrechen der Energieerzeugung ausgibt, während das Brennstoffzellenenergiesystem betrieben wird, um Energie zu erzeugen, die Luftzufuhr zu der Kathode 1b von dem Luftgebläse 4 gestoppt (S101), das Kathodeneinlassventil 17, das in der Oxidationsmittelzuführungsleitung 13 bereitgestellt ist, wird geschlossen (S102), und der Lastbetriebsmodus wird durch die externe Stromversorgung 200 der externen Schaltung, welche die elektrische Steuereinheit 3 umfasst, fortgesetzt (S103). Der Lastbetriebsmodus wird fortgesetzt (Nein in S104), bis die elektrische Zellenspannung (durchschnittliche Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1) bezogen auf die Anode 1a auf eine vorgegebene Modusumschaltspannung V0 vermindert ist. Die Modusumschaltspannung wird z.B. auf V0 = 0,1 V eingestellt.
  • Wenn die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf 0,1 V abnimmt (Ja in S104), wird die elektrische Steuereinheit 3 von dem Lastbetriebsmodus auf den Stromquellenmodus umgeschaltet und ein Gleichstrom wird von der Kathode 1b durch die externe Schaltung, welche die elektrische Steuereinheit 3 umfasst, zur Anode 1a geleitet (S105). Der Stromquellenmodus wird für einen Zeitraum, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V vermindert ist, fortgesetzt, und dann für eine vorgegebene Haltezeit Th vermindert (Nein in S106). In der vorliegenden Ausführungsform wird die Haltezeit z.B. auf Th = 120 s eingestellt.
  • Dann wird die elektrische Steuereinheit 3 an dem Punkt, bei dem 120 s nach der Verminderung der elektrischen Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V, vergangen sind (Ja in S106), gestoppt (S107). Dann wird das Kathodenauslassventil 18, das in der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 bereitgestellt ist, geschlossen (S108), um die Zufuhr des reformierten Gases von dem Reformer 2 zu der Anode 1a zu stoppen (S109). Das Anodeneinlassventil 15, das in der Brennstoffzufuhrleitung 11 bereitgestellt ist, und das Anodenauslassventil 16, das in der Brennstoffaustragsleitung 12 bereitgestellt ist, werden geschlossen (S110), um den Brennstoffzellenstapel 1 abzuschließen, und folglich wird die Energieerzeugung vollständig unterbrochen. Als Ergebnis des Vorgangs zur Unterbrechung der Energieerzeugung wird das Brennstoffzellenenergiesystem in einen Zustand gebracht, bei dem der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird.
  • Verfahren zum Starten der Energieerzeugung
  • Die 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Starten der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenenergiesystems. Gemäß der 3 werden dann, wenn ein Befehl ausgegeben wird, während der unterbrochene Zustand des Brennstoffzellenenergiesystems aufrechterhalten wird, das Anodeneinlassventil 15, das in der Brennstoffzuführungsleitung 11 bereitgestellt ist, und das Anodenauslassventil 16, das in der Brennstoffaustragsleitung 12 bereitgestellt ist, geöffnet (S201), und die Zufuhr von reformiertem Gas von dem Reformer 2 zur Anode 1a wird gestartet (S202). Dann werden das Kathodeneinlassventil 17, das in der Oxidationsmittelzuführungsleitung 13 bereitgestellt ist, und das Kathodenauslassventil 18, das in der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 bereitgestellt ist, geöffnet (S203) und mit der Luftzufuhr von dem Luftgebläse 4 zu der Kathode 1b wird begonnen (S204).
  • Dann wird, wenn die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a eine vorgegebene Lastbetriebsstartspannung Vs erreicht (Ja in S205), die elektrische Steuereinheit 3 auf den Lastbetriebsmodus umgeschaltet und mit der externen Last 5 verbunden, so dass die Energieerzeugung gestartet wird (S206). Der Vorgang zum Starten der Energieerzeugung ist damit abgeschlossen. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Lastbetriebsstartspannung z.B. auf VS = 0,9 V eingestellt. Als Ergebnis des Startvorgangs erreicht das Brennstoffzellenenergiesystem den normalen Zustand der Energieerzeugung.
  • Betrieb
  • Die 4 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Betriebs zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Ausführungsform, und das Diagramm des zeitlichen Ablaufs zeigt den zeitlichen Ablauf von Steuerbefehlen von der Systemsteuereinheit 100 zu den jeweiligen Komponenten des Systems, und die Änderungen der durchschnittlichen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 im Zeitverlauf. Die Ausführung des Verfahrens zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben.
  • Gemäß der 4 wird dann, wenn die Luftzufuhr zur Kathode 1a gestoppt wird, wenn die Energieerzeugung ausgehend von dem Zustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 1 Energie erzeugt, unterbrochen wird, d.h. ausgehend von dem Energieerzeugungszustand, bei dem wasserstoffreiches reformiertes Gas und Luft der Anode 1a bzw. der Kathode 1b zugeführt werden, wobei der externen Last 5 Energie zugeführt wird, der restliche Sauerstoff in der Kathode 1b verbraucht. Als Ergebnis wird das Potenzial der Kathode 1b auf ein Niveau vermindert, das nahe an dem Wasserstoffbezugspotenzial oder dem Potenzial der Anode 1a liegt, so dass die elektromotorische Kraft des Brennstoffzellenstapels 1 auf etwa 0,1 V vermindert wird.
  • Wenn die elektrische Steuereinheit 3 von dem Lastbetriebsmodus auf den Stromquellenmodus umgeschaltet wird und ein Gleichstrom von der Kathode 1b durch die externe Schaltung in einem Zustand, bei dem der Brennstoffzellenstapel 1 keine elektromotorische Kraft aufweist, zur Anode 1a fließen gelassen wird, werden Protonen, die durch die Oxidation des Wasserstoffs, welcher der Anode 1a zugeführt wird, erzeugt werden, zur Kathode 1b übertragen. Da die Protonen durch die Reduktion in der Kathode 1b Wasserstoff erzeugen, werden die Anode 1a und die Kathode 1b mit einem wasserstoffreichen Gas gefüllt.
  • Die durchschnittliche Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 ist zu diesem Zeitpunk um eine Spannung, die einer Überspannung äquivalent ist, ausgehend von 0,1 V vermindert. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung, die der Überspannung äquivalent ist, auf mindestens weniger als 1,2 V eingestellt, d.h. der Gleichstrom wird so eingestellt, dass die durchschnittliche Zellenspannung bezogen auf die Anode mindestens mehr als –1,2 V beträgt. Folglich findet eine Reaktion statt, die sich von der Reaktion des Erzeugens von Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser unter Verwendung von Wasser als Ausgangsmaterial unterscheidet.
  • Da in der vorliegenden Erfindung die Menge an reformiertem Gas, das der Anode 1a zugeführt wird, abhängig von der Größe des Gleichstroms eingestellt wird, kann eine Korrosion des Kata lysators, die aus dem Mangel an Brennstoff in der Anode 1a resultiert, verhindert werden. Dann werden die Ventile 15 bis 18, die an den Eingängen und Ausgängen der Kathode 1b und der Anode 1a des Brennstoffzellenstapels 1 bereitgestellt sind, geschlossen, so dass die Anode 1a und die Kathode 1b abgeschlossen werden, wobei das wasserstoffreiche Gas die Anode 1a und die Kathode 1b füllt.
  • Insbesondere im Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, wird das wasserstoffreiche Gas, das der Anode 1a zugeführt wird, elektrochemisch zur Kathode 1b übertragen, so dass es nicht nur die Anode 1a, sondern auch die Kathode 1b füllt, ohne die Anode 1a bei einer hohen Temperatur zu halten, was sich von der Elektrolyse von Wasser unterscheidet. Da das Füllen von Wasserstoff Sauerstoff verbraucht, der von außen kommt, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, kann ein Anstieg der Sauerstoffpartialdrücke in der Anode 1a und der Kathode 1b verhindert werden, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird. Der in der 4 und den folgenden Figuren gezeigte Buchstabe P stellt den Druck der Anode oder die Obergrenze der Summe der Drücke der Anode und der Kathode dar.
  • Vorteile
  • Die 5 und 6 zeigen die Effekte des Verfahrens zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform. Die Effekte des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend unter Bezugnahme auf diese 5 und 6 beschrieben.
  • Die 5 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl von Start/Unterbrechung-Zyklen und der effektiven Oberfläche des Katalysators der Kathode in einem Zyklustest, der mit den Brennstoffzellenenergiesystemen der vorliegenden Ausführungsform und des Vergleichsbeispiels 1 durchgeführt worden ist. Insbesondere zeigt die 5 die Änderungen (ursprünglicher Wert: 100%) der effektiven Oberfläche des Katalysators der Kathode jedes Brennstoffzellenstapels 1, wenn der Zyklustest für 60 Zyklen derart durchgeführt wurde, dass das Brennstoffzellenenergiesystem in einem Zyklus für 12 Stunden Energie erzeugt und den unterbrochenen Zustand 12 Stunden aufrechterhält.
  • Die 6 ist ein Graph, der die Verhältnisse der effektiven Oberflächen der Anodenkatalysatoren nach dem Zyklustest zu den ursprünglichen Oberflächen (100%) der Katalysatoren in dem Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden Ausführungsform und eines Vergleichsbeispiels 2 darstellt. In dem Zyklustest wurde eine Inertgasspülung, wie z.B. eine Stickstoffspülung, vor und nach dem Starten oder Unterbrechen des Zellenbetriebs weggelassen.
  • Die Brennstoffzellenenergiesysteme der Vergleichsbeispiele 1 und 2, die in den 5 und 6 gezeigt sind, wiesen die gleiche Struktur wie das Brennstoffzellenenergiesystem der in der 1 gezeigten vorliegenden Ausführungsform auf, und wurden unter den gleichen Bedingungen in der vorliegenden Ausführungsform betrieben, mit der Ausnahme des Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung, das nachstehend beschrieben ist.
  • Im Vergleichsbeispiel 1, das in der 5 gezeigt ist, wurde ein bekanntes Verfahren zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands auf das Brennstoffzellenenergiesystem angewandt. Bei diesem Verfahren wurden die Ventile 15 bis 18, die an den Eingängen und Ausgängen der Anode 1a und der Kathode 1b bereitgestellt sind, geschlossen, um den Brennstoffzellenstapel 1 abzuschließen, nachdem der Sauerstoffpartialdruck durch Stickstoffspülen der Kathode 1b nach dem Entfernen der Last ausreichend vermindert worden ist, und somit wurde der unterbrochene Zustand aufrechterhalten.
  • Im Vergleichsbeispiel 2, das in der 6 gezeigt ist, wurde ein weiteres bekanntes Verfahren zum Aufrechterhalten eines unterbrochenen Zustands auf das Brennstoffzellenenergiesystem angewandt. Bei diesem Verfahren wurde dann, wenn das Brennstoffzellenenergiesystem in den Zustand gebracht wurde, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen war, ein Gleichstrom für 120 s an die Kathode 1b angelegt, wobei das reformierte Gas der Anode 1a so zugeführt wurde, dass die Anode 1a bei 1,8 V vorlag, und das Wasser, das in der Elektrode zurückblieb, wurde elektrolysiert, um die Kathode 1b mit Wasserstoff zu füllen. Dann wurden die Ventile 15 bis 18, die an den Eingängen und Ausgängen der Anode 1a und der Kathode 1b bereitgestellt waren, verschlossen, um den Brennstoffzellenstapel abzuschließen.
  • Die 5 zeigt deutlich, dass die vorliegende Ausführungsform die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators der Kathode abschwächt, die von der Zersetzung des Katalysators verursacht wird, wie es im Vergleichsbeispiel 1 gezeigt ist. Da das Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform folglich den Verbrauch des Sauerstoffs, der von außen kommt, wobei der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, durch Wasserstoff ermöglicht, der vorher nicht nur die Anode, sondern auch die Kathode gefüllt hat, kann ein Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks verhindert werden, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird.
  • Folglich kann das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform das Sintern des Katalysators, das durch die Kathode verursacht wird, die durch Erhöhen des Sauerstoffpartialdrucks, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, bei einem hohen Potenzial gehalten wird, und die Zersetzung des Katalysators verhindern, die stattfindet, wenn das wasserstoffreiche Gas zum Starten des Betriebs zugeführt wird, wobei Sauerstoff in beiden Elektroden vorliegt. Folglich kann die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators verhindert werden und die Verminderung der Brennstoffzellenstapelspannung, die durch die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators verursacht wird, kann verhindert werden.
  • Die 6 zeigt deutlich, dass die vorliegende Ausführungsform die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators der Anode abschwächt, die von der Zersetzung des Katalysators verursacht wird. Somit kann das Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems der vorliegenden Ausführungsform das Sintern der Anode, das bei einem hohen Potenzial verursacht wird, durch elektrochemisches Übertragen des wasserstoffreichen Gases, das der Anode zugeführt wird, zur Kathode, so dass die Kathode mit Wasserstoff gefüllt wird, verhindern, ohne dass die Anode bei einem hohen Potenzial gehalten wird, was sich von der Elektrolyse von Wasser unterscheidet. Dieses Verfahren ist in einem System besonders effektiv, in dem eine Maßnahme gegen eine CO-Vergiftung ergriffen wird.
  • Erste Modifizierung 1
  • Struktur
  • In der ersten Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird, weist das Brennstoffzellenenergiesystem die gleiche Struktur (1) wie dasjenige in der ersten Ausführungsform auf, und nur das Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands wird modifiziert.
  • Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung
  • Die 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands der vorliegenden Modifizierung. Gemäß der 7 wird das Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der Modifizierung durch teilweises Verändern des Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung der in der 2 gezeigten ersten Ausführungsform durchgeführt.
  • Insbesondere wird in der vorliegenden ersten Modifizierung eine Reihe von Schritten (S101 bis S105) in der gleichen Weise wie in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der ersten Ausführungsform durchgeführt. In diesem Verfahren wird dann, wenn ein Befehl für die Unterbrechung der Energieerzeugung ausgegeben wird, während das Brennstoffzellenenergiesystem Energie erzeugt, die Luftzufuhr zu der Kathode 1b gestoppt und das Kathodeneinlassventil 17 wird geschlossen. Dann wird die elektrische Steuereinheit 3 in dem Lastbetriebsmodus gehalten und die elektrische Steuereinheit 3 wird in den Stromquellenmodus umgeschaltet, um einen Gleichstrom an dem Punkt, bei dem die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf 0,1 V vermindert wird, an die Anode 1a anzulegen.
  • Das Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung gemäß der vorliegenden Modifizierung unterscheidet sich von dem Verfahren der ersten Ausführungsform dahingehend, dass das Kathodenauslassventil 18 der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 geschlossen ist, während der Stromquellenmodus fortgesetzt wird. Insbesondere wird das Kathodenauslassventil 18 an dem Punkt geschlossen (S108), bei dem eine vorgegebene erste Haltezeit Th1 nach der Verminderung der elektrischen Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V vergangen ist (Ja in S131). Dann wird der Stromquellenmodus weiter fortgesetzt und die elektrische Steuereinheit 3 wird an dem Punkt gestoppt (S107), bei dem eine vorgegebene zweite Haltezeit Th2 vergangen ist (Ja in S132). In der vorliegenden Modifizierung werden z.B. die erste Haltezeit Th1 und die zweite Haltezeit Th2 jeweils auf 60 s eingestellt.
  • Das Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung gemäß der vorliegenden Modifizierung unterscheidet sich von dem Verfahren der ersten Ausführungsform auch dahingehend, dass das Anodenauslassventil 16 zuerst geschlossen wird (S133), nachdem die elektrische Steuereinheit 3 gestoppt worden ist, und die Zufuhr des reformierten Gases zur Anode 1a gestoppt (S109) und das Anodeneinlassventil 15 an dem Punkt geschlossen (Ja in S135) wird, bei dem eine vorgegebene dritte Haltezeit Th3 vergangen ist (Ja in S134). In diesem Fall wird z.B. die dritte Haltezeit Th3 auf 5 s eingestellt.
  • Das Verfahren zum Starten der Energieerzeugung der vorliegenden Modifizierung ist mit demjenigen in der ersten Ausführungsform identisch und wird gemäß dem in der 3 gezeigten Verfahren durchgeführt.
  • Betrieb
  • Die 8 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Betriebs zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Modifizierung, und zeigt insbesondere den zeitlichen Ablauf von Steuerbefehlen von der CPU 101 der Systemsteuereinheit 100 zu den jeweiligen Systemkomponenten durch den Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 103, und die Änderungen der durchschnittlichen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 im Zeitverlauf neben den Änderungen der Anodenspannung und der Kathodenspannung im Zeitverlauf. Der Betrieb und die Funktionen des Verfahrens zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 8 beschrieben.
  • Die 8 zeigt, dass in dem Betrieb zum Unterbrechen der Energieerzeugung in der vorliegenden Modifizierung die elektrische Steuereinheit 3 in dem Stromquellenmodus gehalten wird, um unter Verwendung der externen Stromversorgung 200 als Stromquelle einen Strom anzulegen, und Wasserstoff wird folglich kontinuierlich zu der Kathode 1b übertragen, um den Druck der Kathode 1b nach und nach zu erhöhen. Bezüglich der Anode 1a wird deren Druck durch Stoppen der Zufuhr des reformierten Gases und Schließen des Anodeneinlassventils 15 nach dem Schließen des Anodenauslassventils 16 erhöht. Folglich werden nach dem Abschluss des Betriebs zum Unterbrechen der Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 1 die Anode 1a und die Kathode 1b abgeschlossen, wobei sie mit wasserstoffreichem Gas mit Druck beaufschlagt sind.
  • Vorteile
  • In der vorstehend beschriebenen, vorliegenden Modifizierung kann ein negativer Druck, der durch die Volumenverminderung verursacht wird, die aus der Dampfkondensation resultiert, durch Abschließen des Brennstoffzellenstapels im Vorhinein, wobei dessen Inneres mit Druck beaufschlagt ist, selbst dann verhindert werden, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels gesenkt wird, und ein Eindringen von Luft in den Brennstoffzellenstapel von außen kann verhindert werden.
  • Die erste Modifizierung 1 kann den Anstieg des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb der Elektroden der Brennstoffzelle effektiv verhindern. Demgemäß kann sie das Sintern des Katalysators, das durch Halten der Kathode bei einem hohen Potenzial durch Erhöhen des Sauerstoffpartialdrucks, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, verursacht wird, und die Zersetzung des Katalysators der Kathode, die stattfindet, wenn das wasserstoffreiche Gas zum Starten des Betriebs mit Sauerstoff, der in beiden Elektroden vorliegt, zugeführt wird, effektiver verhindern. Folglich kann die Verminderung der Brennstoffzellenstapelspannung, die durch die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators der Kathode verursacht wird, effektiver verhindert werden.
  • Zweite Modifizierung 2
  • Struktur
  • In der zweiten Modifizierung 2, die bezüglich der ersten Ausführungsform und der ersten Modifizierung 1 weiter modifiziert ist, weist das Brennstoffzellenenergiesystem die gleiche Struktur (1) als deren Strukturen auf und nur das Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands ist modifiziert.
  • Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung
  • Die 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands der Modifizierung 2. Gemäß der 9 wird das Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der zweiten Modifizierung 2 durch teilweises Verändern des Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung der in der 7 gezeigten ersten Modifizierung 1 durchgeführt und unterscheidet sich nur bezüglich der Kriterien zum Stoppen der elektrischen Steuereinheit 3, nachdem das Kathodenauslassventil 18 geschlossen worden ist (S108), wobei der Stromquellenmodus fortgesetzt wird.
  • Während die erste Modifizierung 1 festlegt, ob eine vorgegebene zweite Haltezeit Th2 vergangen ist oder nicht (S132), legt die zweite Modifizierung 2 fest, ob sich die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode 1a auf eine vorgegebene niedrigere Grenzspannung VL vermindert hat oder nicht (S151) und stoppt die elektrische Steuereinheit 3 (S107) an dem Punkt, bei dem die Spannung auf die niedrigere Grenzspannung VL vermindert worden ist (Ja in S151). In diesem Fall wird die untere Grenzspannung VL z.B. auf –0,2 V eingestellt.
  • Andere Schritte in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung dieser zweiten Modifizierung 2 sind mit denjenigen in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der ersten Modifizierung 1 identisch. Das Verfahren zum Starten der Energieerzeugung der zweiten Modifizierung 2 ist mit demjenigen in der ersten Ausführungsform und der ersten Modifizierung 1 identisch und wird gemäß dem in der 3 gezeigten Verfahren durchgeführt.
  • Betrieb und Vorteile
  • Die 10 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Verfahrens zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der zweiten Modifizierung 2 und zeigt insbesondere den zeitlichen Ablauf von Steuerbefehlen von der CPU 101 der Systemsteuereinheit 100 zu den jeweiligen Systemkomponenten durch den Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 103, und die Änderungen der durchschnittlichen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 im Zeitverlauf neben den Änderungen der Anodenspannung und der Kathodenspannung im Zeitverlauf.
  • Die 10 zeigt deutlich, dass das Verfahren zum Halten des unterbrochenen Zustands gemäß dieser zweiten Modifizierung 2 den gleichen Effekt wie dasjenige der ersten Modifizierung 1 erzeugen kann. Darüber hinaus kann der Druck der Kathode durch Überwachen der durchschnittlichen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels erfasst werden und demgemäß kann der Druck wie in einer nachstehend beschriebenen dritten Ausführungsform einfach gesteuert werden. Folglich ist das Verfahren gemäß der zweiten Modifizierung 2 in dem Fall besonders effektiv, bei dem die Obergrenze des Innendrucks der Brennstoffzelle niedrig ist. Bei der zweiten Modifizierung 2 kann anders als bei der dritten Ausführungsform das Druckmessgerät weggelassen werden. Demgemäß ermöglicht die zweite Modifizierung 2 eine Vereinfachung von Systemkomponenten.
  • Zweite Ausführungsform
  • Struktur
  • Die 11 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer zweiten Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird. Gemäß der 11 weist das Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden zweiten Ausführungsform die Verbrennungsvorrichtungen 21 und 22 in einer Weise auf, dass sie in der Struktur der ersten Ausführungsform stromabwärts von dem Anodenauslassventil 16 in der Brennstoffaustragsleitung 12 bzw. dem Kathodenauslassventil 18 in der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 bereitgestellt sind. Es ist auch ein Wärmetauscher 23 bereitgestellt, der die Wärme, die von der Verbrennungsvorrichtung 21 erzeugt wird, nutzt, um die Temperatur des Reformers 2 zu halten.
  • Insbesondere werden nicht umgesetzter Wasserstoff, der von der Anode 1a ausgetragen worden ist, und Luft, die für die Verbrennung eingestellt worden ist, der Verbrennungsvorrichtung 21, die in der Brennstoffaustragsleitung 12 bereitgestellt ist, zugeführt. Wärme, die durch die Verbrennung in der Verbrennungsvorrichtung 21 erzeugt wird, wird von dem Wärmetauscher 23 als Wärmequelle zum Halten der Temperatur des Reformers 2 genutzt. Ein Oxidationskatalysator, der mit Luft in Kontakt gebracht worden ist, ist in der Verbrennungsvorrichtung 22, die in der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 bereitgestellt ist, angeordnet, so dass verbrennbares Gas nicht zur Außenseite des Systems ausgetragen wird, selbst wenn wasserstoffreiches Gas von der Kathode 1b ausgetragen wird.
  • Zusätzlich zu der gleichen Funktion wie derjenigen der elektrischen Steuereinheit 3 in der ersten Ausführungsform, den Normallastbetriebsmodus und den Stromquellenmodus gemäß eines Befehls von der Systemsteuereinheit umzuschalten, weist die elektrische Steuereinheit 3 die Funktion des Steuerns des Gleichstromwerts gemäß der Temperatur des Reformers 2 auf. Die anderen Komponenten sind mit denjenigen des Brennstoffzellenenergiesystems gemäß der ersten Ausführungsform identisch und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
  • Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung
  • Die Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß der vorliegenden zweiten Ausführungsform sind mit denjenigen in der ersten Ausführungsform identisch und werden so durchgeführt, wie es in den 2 und 3 gezeigt ist.
  • Betrieb und Vorteile
  • Das Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden Ausführungsform arbeitet wie folgt und erzeugt die folgenden Effekte.
  • Während das Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden Ausführungsform in einen Zustand gebracht wird, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, wird Brennstoffabgas, das aus der Anode 1a ausgetragen wird, zur Verbrennungsvorrichtung 21 zurückgeführt, um Wasserstoffgas, das in dem Brennstoffabgas zurückgeblieben ist, zu verbrennen. Wärme, die durch dieses Verbrennen erzeugt wird, wird als Wärmequelle für den Reformer 2 verwendet. Wenn die Menge des zurückgebliebenen Wasserstoffs hoch ist, wird die Wärmeerzeugung durch die Verbrennungsvorrichtung 21 erhöht, so dass die Temperatur des Reformers 2 erhöht wird.
  • Wenn sich die elektrische Steuereinheit 3 im Lastbetriebsmodus befindet, erhöht die Erhöhung des Gleichstroms den Wasserstoffverbrauch in der Anode 1a, so dass die Menge an zurückgebliebenem Wasserstoff vermindert wird. Wenn sich die elektrische Steuereinheit 3 im Stromquellenmodus befindet, erhöht die Erhöhung des Gleichstroms die Menge an Wasserstoff, die zur Kathode 1b überführt wird, so dass die Menge an zurückgebliebenem Wasserstoff ebenfalls vermindert wird. Der Wasserstoff, der in dem Brennstoffabgas zurückgeblieben ist, wird folglich durch Erhöhen des Gleichstroms vermindert. Wenn die Temperatur des Reformers 2 hoch ist, kann die Temperatur demgemäß durch Erhöhen des Gleichstroms zur Verminderung des Wasserstoffs, der in dem Brennstoffabgas zurückgeblieben ist, gesenkt werden, so dass die von der Verbrennungsvorrichtung 21 erzeugte Wärme vermindert wird.
  • Folglich kann die vorliegende Ausführungsform die Temperatur des Reformers in einem geeigneten Bereich steuern, so dass die Verschlechterung des Reformers verhindert wird, sowie den gleichen Effekt wie in der ersten Ausführungsform erzeugen.
  • Nachdem die elektrische Steuereinheit 3 unter Verwendung der externen Stromversorgung 200 als Stromquelle in den Stromquellenmodus umgeschaltet worden ist, wird Wasserstoff zu der Kathode 1b übertragen. Wenn dieser Betrieb fortgesetzt wird, wird der Wasserstoffgehalt in dem Abgas von der Kathode 1b nach und nach erhöht. Da in der vorliegenden Ausführungsform eine weitere Verbrennungsvorrichtung 22 am Ausgang der Kathode bereitgestellt ist, kann das Wasserstoffgas in der Verbrennungsvorrichtung 22, die mit Luft in Kontakt stand, verbrannt werden, so dass der Wasserstoffgehalt in dem Abgas auf ein Niveau vermindert wird, das unter der Explosionsgrenze liegt. Folglich weist die vorliegende Ausführungsform eine hervorragende Sicherheit auf.
  • Dritte Ausführungsform
  • Struktur
  • Die 12 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer dritten Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird. Gemäß der 12 weist das Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden Ausführungsform ein Druckmessgerät 41 zum Messen des Drucks der Kathode 1b in einer Weise auf, dass es in der Struktur der ersten Ausführungsform oder der ersten Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform stromaufwärts von dem Kathodenauslassventil 18 in der Oxidationsmittelaustragsleitung 14 bereitgestellt ist. Die anderen Komponenten sind mit denjenigen des Brennstoffzellenenergiesystems der ersten Ausführungsform oder der ersten Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform identisch und deren Beschreibung wird weggelassen.
  • Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung
  • Die 13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Gemäß der 13 wird das Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der vorliegenden Ausführungsform durch teilweises Verändern des Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung der ersten in der 7 gezeigten ersten Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform durchgeführt, und unterscheidet sich lediglich bezüglich der Kriterien zum Stoppen der elektrischen Steuereinheit 3 nach dem Schließen des Kathodenauslassventils 18 (S108), wobei der Stromquellenmodus fortgesetzt wird.
  • Insbesondere bestimmt die vorliegende Ausführungsform, während die erste Modifizierung 1 bestimmt, ob eine zweite Haltezeit Th2 vergangen ist oder nicht (S132), ob der Druck der Kathode 1b, der mit dem Druckmessgerät 41 gemessen worden ist, einen vorgegebenen Druck P0 erreicht (S141), und stoppt die elektrische Steuereinheit 3 (S107) an dem Punkt, bei dem der Druck den vorgegebenen Druck P0 erreicht (Ja in S141). In diesem Fall beträgt z.B. der vorgegebene Druck P0 50 kPa.
  • Andere Schritte in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung sind mit denjenigen in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung der Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform 1 identisch. Das Verfahren zum Starten der Energieerzeugung ist mit demjenigen in der ersten Ausführungsform und der Modifizierung 1 der ersten Ausführungsform identisch und wird gemäß dem in der 3 gezeigten Verfahren durchgeführt.
  • Betrieb und Vorteile
  • Die 14 ist ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs eines Betriebs zum Bringen des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Ausführungsform und zeigt insbesondere den zeitlichen Ablauf von Steuerbefehlen von der CPU 101 der Systemsteuereinheit 100 zu den jeweiligen Komponenten durch den Eingabe/Ausgabe-Abschnitt 103, und die Änderungen der durchschnittlichen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 im Zeitverlauf neben den Änderungen der Drücke der Anode und der Kathode im Zeitverlauf.
  • Die 14 zeigt deutlich, dass das Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands gemäß der vorliegenden Ausführungsform den gleichen Effekt wie dasjenige der ersten Modifizierung 1 erzeugen kann. Da darüber hinaus der Druck der Kathode direkt überwacht wird, kann der Druck einfach gesteuert werden. Folglich ist das Verfahren gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform in dem Fall besonders effektiv, bei dem die Obergrenze des Innendrucks der Brennstoffzelle niedrig ist.
  • Vierte Ausführungsform
  • Struktur
  • Die 15 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellenenergiesystems gemäß einer vierten Ausführungsform, auf welche die vorliegende Erfindung angewandt wird. Gemäß der 15 weist das Brennstoffzellenenergiesystem der vorliegenden Ausführungsform einen Wasserstoff lagertank 61 derart auf, dass dieser in der Struktur der ersten Ausführungsform stromaufwärts von dem Anodeneinlassventil 15 in der Brennstoffzuführungsleitung 11 bereitgestellt ist. Die anderen Komponenten sind mit denjenigen des Brennstoffzellenenergiesystems der ersten Ausführungsform identisch und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
  • Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung
  • Die Verfahren zum Unterbrechen und Starten der Energieerzeugung in der vorliegenden Ausführungsform sind mit denjenigen in der ersten Ausführungsform identisch und werden gemäß den in den 2 bzw. 3 gezeigten Verfahren durchgeführt.
  • Verfahren zum Zuführen von Wasserstoff während des Aufrechterhaltens des unterbrochenen Zustands
  • Die 16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Zuführen des Wasserstoffs, während das Brennstoffzellenenergiesystem den unterbrochenen Zustand in dem Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands aufrechterhält. Gemäß der 16 wird dann, wenn ein Befehl zum Zuführen des Wasserstoffs ausgegeben wird, während das Brennstoffzellenenergiesystem den unterbrochenen Zustand aufrechterhält, das Anodeneinlassventil 15 geöffnet, so dass die Wasserstoffzufuhr von einem Wasserstofflagertank 61 zur Anode 1a gestartet wird (S301), und dann wird der Betriebsmodus der elektrischen Steuereinheit 3 auf den Stromquellenmodus eingestellt, um mit dem Anlegen eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung zu beginnen (S302).
  • Nachdem die elektrische Zellenspannung (durchschnittliche Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1) bezogen auf die Anode 1a auf ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V vermindert worden ist, wobei der Stromquellenmodus fortgesetzt wird, und an dem Punkt, bei dem die Haltezeit Th (= 120 s) vergangen ist (Ja in S303), wird die elektrische Steuereinheit 3 gestoppt (S304) und das Anodeneinlassventil 15 (S304) wird geschlossen. Folglich ist eine Abfolge der Wasserstoffzufuhr abgeschlossen.
  • In der Praxis wird die Abfolge der Wasserstoffzufuhr an vorgegebenen Zeitintervallen, wie z.B. alle 12 Stunden, durchgeführt, während der unterbrochene Zustand des Brennstoffzellenenergiesystems beibehalten wird.
  • Betrieb
  • Die vorliegende Ausführungsform wird so betrieben, wie es nachstehend beschrieben ist. Sowohl die Anode 1a als auch die Kathode 1b sind nach dem Abschluss der Abfolge des Vorgangs zum Unterbrechen der Energieerzeugung mit wasserstoffreichem Gas gefüllt und die Wasserstoffpartialdrücke werden nach und nach vermindert. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Anodeneinlassventil 15 alle 12 Stunden geöffnet, um den Wasserstoff durch Beaufschlagen mit Druck von dem Wasserstofflagertank 61 der Anode 1b zuzuführen. Darüber hinaus wird der Wasserstoff durch Anlegen eines Gleichstroms von der Kathode 1b zur Anode 1a durch eine externe Schaltung, wenn die durchschnittliche Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 1 weniger als 0,1 V beträgt, zur Kathode 1b übertragen. Somit kann der Vorgang der Wasserstoffzufuhr die Wasserstoffpartialdrücke sowohl in der Anode 1a als auch in der Kathode 1b erhöhen, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird.
  • Vorteile
  • Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Abfolge der Wasserstoffzufuhr in regelmäßigen Intervallen durchgeführt, so dass der Wasserstoffpartialdruck, der durch den Wasserstoffverbrauch durch eine Sauerstoffkontamination verursacht wird, erhöht werden kann, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird. Folglich kann eine ausreichende Menge an Wasserstoff, die Sauerstoff verbraucht, selbst dann sichergestellt werden, wenn Sauerstoff kontinuierlich zugemischt wird. Folglich kann die vorliegende Ausführungsform die Zunahme des Sauerstoffpartialdrucks effektiv verhindern.
  • Da die Zunahme des Sauerstoffpartialdrucks innerhalb der Brennstoffzellenelektrode effektiv verhindert werden kann, kann das Verfahren der vorliegenden Ausführungsform das Sintern des Katalysators, das durch die Kathode verursacht wird, die durch Erhöhen des Sauerstoffpartialdrucks, während der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, bei einem hohen Potenzial gehalten wird, und die Zersetzung des Katalysators der Kathode, die stattfindet, wenn das wasserstoffreiche Gas zum Starten des Betriebs zugeführt wird, wobei Sauerstoff in beiden Elektroden vorliegt, verhindern. Folglich kann die Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators effektiver verhindert werden und die Verminderung der Brennstoffzellenspannung, die von der Verminderung der effektiven Oberfläche des Katalysators verursacht wird, kann effektiver verhindert werden.
  • Fünfte Ausführungsform
  • Während in der vierten Ausführungsform das Brennstoffzellenenergiesystem, das den Reformer 2 umfasst, beschrieben ist, kann eine Systemstruktur bereitgestellt werden, die den Wasserstofflagertank 61 gemäß der 17 aufweist, ohne dass der Reformer 2 verwendet wird. Diese Struktur dieser fünften Ausführungsform kann den gleichen Effekt erzeugen wie diejenige der vierten Ausführungsform. Die anderen Komponenten sind mit denjenigen der vierten Ausführungsform identisch und die Beschreibung wird hier weggelassen.
  • Andere Ausführungsformen
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Modifizierungen können durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist die Haltezeit, die in dem Verfahren zum Unterbrechen der Energieerzeugung eingesetzt wird, nicht mehr als ein Beispiel und kann zweckmäßig geändert werden. Mit anderen Worten: Die vorliegende Erfindung kann bezüglich der Systemstruktur oder des Verfahrens zum Unterbrechen der Energieerzeugung in geeigneter Weise modifiziert werden, so lange ein Gleichstrom durch eine externe Schaltung nach dem Schließen der Oxidationsmittelzuführungsleitung von der Kathode zur Anode angelegt wird, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode im Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in einen Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht. Solche Modifizierungen können ebenfalls zufrieden stellende Effekte erzeugen.
  • Zusammenfassung
  • Ein Brennstoffzellenenergiesystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von elektrischen Zellen hergestellt wird, die jeweils eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassen, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, und eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen. Ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines Zustands eines Brennstoffzellenenergiesystems, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, umfasst die Schritte des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, des Anlegens eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung durch den Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen ist, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung nach dem Startpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms, und des Schließens der Brennstoffaustragsleitung und der Brennstoffzuführungsleitung nach dem Endpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Aufrechterhalten eines Zustands eines Brennstoffzellenenergiesystems, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wobei das Brennstoffzellenenergiesystem einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von elektrischen Zellen hergestellt wird, die jeweils eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassen, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, und eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen, umfasst, wobei das Verfahren die Schritte des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, des Anlegens eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung durch den Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen ist, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung nach dem Startpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms, und des Schließens der Brennstoffaustragsleitung und der Brennstoffzuführungsleitung nach dem Endpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms umfasst.
  2. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Schließens der Oxidationsmittelaustragsleitung und der Schritt des Schließens der Brennstoffaustrags- und Brennstoffzuführungsleitungen nach dem Schritt des Anlegens eines Gleichstroms durchgeführt werden.
  3. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Schließens der Oxidationsmittelaustragsleitung nach dem Beginn des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms durchgeführt wird und der Schritt des Anlegens eines Gleichstroms mit dem Schritt des Schließens der Brenn stoffaustrags- und Brennstoffzuführungsleitungen nach dem Schritt des Schließens der Oxidationsmittelaustragsleitung beendet wird.
  4. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 3, bei dem nach dem Schritt des Schließens der Oxidationsmittelaustragsleitung der Druck der Kathode überwacht wird und der Schritt des Anlegens eines Gleichstroms mit dem Schritt des Schließens der Brennstoffaustrags- und Brennstoffzuführungsleitungen an einem Punkt beendet wird, bei dem der gemessene Wert des Drucks einen vorgegebenen Druckwert erreicht.
  5. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 3, bei dem nach dem Schritt des Schließens der Oxidationsmittelaustragsleitung der Schritt des Anlegens eines Gleichstroms mit dem Schritt des Schließens der Brennstoffaustrags- und Brennstoffzuführungsleitungen an einem Punkt beendet wird, bei dem die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode einen Wert erreicht, der niedriger ist als eine vorgegebene Spannung.
  6. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 1, bei dem, während das Brennstoffzellenenergiesystem den unterbrochenen Zustand aufrechterhält, der Brennstoffzuführungsschritt des unterbrochenen Zustands, bei dem die Brennstoffzuführungsleitung geöffnet wird und der Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durchgeführt wird, der Schritt des Anlegens eines Gleichstroms des unterbrochenen Zustands, bei dem ein Gleichstrom von der Kathode zur Anode angelegt wird, durch die externe Schaltung nach dem Brennstoffzuführungsschritt durchgeführt wird, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, und der Brennstoffleitungsschließschritt des unterbrochenen Zustands, bei dem die Brennstoffzuführungsleitung geschlossen wird, nach dem Beenden des Schritt des Anlegens eines Gleichstroms durchgeführt wird.
  7. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 6, bei dem das Brennstoffzellensystem ferner einen Reformer, der ein wasserstoffreiches Gas aus einem Kohlenwasserstoffbrennstoff erzeugt, und einen Wasserstofflagertank umfasst, der das erzeugte wasserstoffreiche Gas lagert, und wobei der Brennstoff, der in dem Brennstoffzuführungsschritt des unterbrochenen Zustands zugeführt wird, das wasserstoffreiche Gas ist, das in dem Reformer erzeugt worden ist und in dem Wasserstofflagertank gelagert ist, während das Brennstoffzellensystem im Betrieb ist.
  8. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 1, bei dem die Größe des Gleichstroms abhängig von der Temperatur des Reformers gesteuert wird.
  9. Verfahren zum Aufrechterhalten des unterbrochenen Zustands des Brennstoffzellenenergiesystems nach Anspruch 1, bei dem eine Verbrennungsvorrichtung in der Oxidationsmittelaustragsleitung bereitgestellt ist und Wasserstoff in dem Abgas in der Verbrennungsvorrichtung verbrannt wird.
  10. Programm zum Aufrechterhalten eines Zustands eines Brennstoffzellenenergiesystems, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, in einem Verfahren des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, und der unterbrochene Zustand aufrechterhalten wird, wobei das Brennstoffzellenenergiesystem einen Brennstoffzellenstapel, der durch Stapeln einer Mehrzahl von elektrischen Zellen hergestellt wird, die jeweils eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfassen, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, und eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen, umfasst, wobei das Programm die folgenden Schritte mit einem Computer ausführt: einen Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Bringens des Brennstoffzellenenergiesystems in den Zustand, bei dem die Energieerzeugung unterbrochen ist, einen Schritt des Anlegens eines Gleichstroms von der Kathode zur Anode durch eine externe Schaltung, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung durch den Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung geschlossen ist, bis die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, einen Schritt des Schließens der Oxidationsmittelzuführungsleitung nach dem Startpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms, und einen Schritt des Schließens der Brennstoffaustragsleitung und der Brennstoffzuführungsleitung nach dem Endpunkt des Schritts des Anlegens eines Gleichstroms.
  11. Brennstoffzellenenergiesystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von elektrischen Zellen umfasst, die übereinander gestapelt sind, wobei jede elektrische Zelle eine Anode und eine Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten umfasst, eine Brennstoffzuführungsleitung und eine Oxidationsmittelzuführungsleitung, die dem Brennstoffzellenstapel einen Brennstoff bzw. ein Oxidationsmittel zuführen, eine Brennstoffaustragsleitung und eine Oxidationsmittelaustragsleitung, die den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt worden sind, austragen, eine elektrische Steuereinheit, die einen Normallastbetriebsmodus, bei dem die elektrische Energie, die in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, einer externen Last zugeführt wird, und einen Stromquellenmodus aufweist, bei dem ein Gleichstrom durch eine externe Schaltung von der Kathode zur Anode angelegt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel keine elektromotorische Kraft aufweist, und eine Systemsteuereinheit, welche die Brennstoffzuführungsleitung und die Oxidationsmittelzuführungsleitung und die elektrische Steuereinheit steuert, wobei die Systemsteuereinheit so konfiguriert ist, dass sie die Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Unterbrechens der Energieerzeugung schließt, die elektrische Steuereinheit von dem Lastbetriebsmodus in den Stromquellenmodus umschaltet, so dass der Gleichstrom durch die externe Schaltung von der Kathode zur Anode angelegt wird, und die elektrische Steuereinheit an einem Punkt, bei dem die elektrische Zellenspannung bezogen auf die Anode ein Niveau von mehr als –1,2 V bis weniger als 0,1 V erreicht, gestoppt wird, wobei die Oxidationsmittelzuführungsleitung in dem Verlauf des Unterbrechens der Energieerzeugung geschlossen ist, die Oxidationsmittelaustragsleitung nach einem Punkt, bei dem die elektrische Steuereinheit in den Stromquellenmodus umgeschaltet wird, schließt, und die Brennstoffaustragsleitung und die Brennstoffzuführungsleitung nach einem Punkt schließt, bei dem die elektrische Steuereinheit bei dem Stromquellenmodus gestoppt wird.
  12. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 11, bei dem die Systemsteuereinheit einen Speicher, in dem ein Betriebsablaufprogramm im Vorhinein gespeichert worden ist, und eine CPU umfasst, welche das Ablaufprogramm liest und durch einen Eingabe/Ausgabe-Abschnitt einen Steuerbefehl liest.
  13. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 11, das ferner einen Reformer, der in der Brennstoffzuführungsleitung bereitgestellt ist, und ein Luftgebläse, das in der Oxidationsmittelzuführungsleitung bereitgestellt ist, umfasst, wobei der Reformer und das Luftgebläse durch die Systemsteuereinheit so gesteuert werden, dass die Zufuhr von reformiertem Gas aus Stadtgas, das als Brennstoff verwendet wird, und von Luft, die als Oxidationsmittel verwendet wird, gesteuert wird.
  14. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 13, bei dem die Brennstoffaustragsleitung und die Oxidationsmittelaustragsleitung jeweils stromabwärts eine Verbrennungsvorrichtung aufweisen, wobei die Verbrennungsvorrichtung, die stromabwärts in der Brennstoffaustragsleitung angeordnet ist, durch einen Wärmetauscher mit dem Reformer verbunden ist.
  15. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 13, bei dem die Oxidationsmittelaustragsleitung ein Druckmessgerät aufweist, das den Druck der Kathode misst.
  16. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 13, das ferner einen Wasserstofflagertank zwischen dem Reformer in der Brennstoffzuführungsleitung und der Anode umfasst.
  17. Brennstoffzellenenergiesystem nach Anspruch 11, das ferner einen Wasserstofflagertank, der in der Brennstoffzuführungsleitung bereitgestellt ist, und ein Luftgebläse umfasst, das in der Oxidationsmittelzuführungsleitung bereitgestellt ist, wobei der Wasserstofflagertank und das Luftgebläse durch die Systemsteuereinheit so gesteuert werden, dass die Zufuhr von Wasserstoff, der als Brennstoff verwendet wird, und von Luft, die als Oxidationsmittel verwendet wird, gesteuert wird.
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