DE112006003136T5

DE112006003136T5 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zu seiner Abschaltung

Info

Publication number: DE112006003136T5
Application number: DE112006003136T
Authority: DE
Inventors: Nobuo Toyota Fujita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: JP2007157489A; DE112006003136B4; CN101326665A; KR20080066077A; JP4872331B2; US20090148728A1; WO2007066485A1; CN101326665B; US7964316B2; KR101035319B1

Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Hauptteil einer Brennstoffzelle, einen dem Hauptteil der Brennstoffzelle ein reaktives Gas zuführenden und das reaktive Gas aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abführenden Gaskanal, und einen Einstellteil, der den Strömungszustand des reaktiven Gases im Gaskanal einstellt, wobei das Brennstoffzellensystem umfaßt:
wenigstens zwei Spülkanäle, die einen Teil des Gaskanals spülen, wobei ein erster Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil des Brennstoffzelle umfaßt, und ein zweiter Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil der Brennstoffelle umgeht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren, das das Brennstoffzellensystem abschaltet; und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das befähigt ist, das Einfrieren seiner Komponenten, wie etwa in einem Gaskanal angeordneter Pumpen und Ventile, zu verhindern, und ein Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems.
STAND DER TECHNIK
Ein Brennstoffzellensystem ist ein System, in dem ein Brenngas und ein als Oxidationsmittel dienendes Gas einer Brennstoffzelle über entsprechende Gasförderkanäle zugeführt werden, und durch Anwendung einer elektrochemischen Reaktion dieser Gase in einem Hauptteil der Brennstoffzelle Elektrizität zu erzeugen.
Durch die elektrochemische Reaktion wird im Hauptteil der Brennstoffzelle Wasser erzeugt und das Wasser wird aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle in einem Zustand abgeführt, in dem das Wasser sich in einem Brennstoffzellenabgas (ein aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abgeleitetes Brenngas) und einem Abgas des Oxidationsmittels (ein aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abgeleitetes, als Oxidationsmittel dienendes Gas) enthalten ist.
Deshalb kann, falls während des abgeschalteten Zustands des Systems die Umgebungstemperatur des Systems auf den Gefrierpunkt oder darunter absinkt, die Feuchtigkeit in den in den Ventilen, den Armaturen, etc. der Gaskanäle des Systems verbleibenden Gasen kondensieren und die Komponenten des Systems können einfrieren.
In einem solchen Falle besteht die Möglichkeit, daß das Starten des Brennstoffzellensystems unmöglich ist, selbst wenn danach eine Aktion zum Starten des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Oder es besteht die Möglichkeit, daß es, selbst wenn das Brennstoffzellensystem gestartet werden kann, schwierig ist, die normale Aktion des Brennstoffzellensystems durchzuführen. Insbesondere das Einfrieren einer Gasversorgungsvorrichtung, wie einer Pumpe, würde die Zufuhr des Brenngases oder des als Oxidationsmittel dienenden Gases unmöglich machen und es würde beträchtliche Zeit erfordern, das ganze System in Betrieb zu setzen.
Um das Problem zu vermeiden, wurde ein Verfahren zur Entfernung von Restwasser vorgeschlagen, bei dem an der Eingangsöffnung oder Entleerungsöffnung einer Wasserstoffpumpe ein Flüssigkeitsspeicherabschnitt angeordnet ist, so daß die Feuchtigkeit nicht leicht in der Pumpenkammer der Wasserstoffpumpe verbleibt und die Innenseite der Wasserstoffpumpe unmittelbar vor dem Auftreten einer Systemabschaltung mit trockenem Wasserstoffgas spült. Siehe die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2003-178782 .
Es wurde auch ein Verfahren zur Entfernung von Restwasser vorgeschlagen, bei dem einer Wasserstoffpumpe zu einem vorgegebenen Zeitpunkt innerhalb einer Phase zur Systemabschaltung trockenes Wasserstoffgas zugeführt wird, um das Einfrieren der Wasserstoffpumpe zu verhindern. Siehe die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2005-158426 .

Patentdokument 1: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2003-178782 ,
Patentdokument 2: japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2005-158426 .

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE
Die japanischen offengelegten Patenanmeldungen Nr. 3003-178782 und 2005-158426 ziehen jedoch nur die Frostsicherung für die Wasserstoffpumpe in Betracht, jedoch ist keinerlei Aktion zur Entfernung der im Hauptteil der Brennstoffzelle oder anderen Abschnitten verbleibenden Feuchtigkeit erwogen.
Um das Problem des Einfrierens der Gaskanäle des Systems einschließlich des Hauptteils der Brennstoffzelle und/oder einer Wasserstoffpumpe zum Zeitpunkt einer Systemabschaltung zu vermeiden, wenn das Verfahren ausgeführt wird, das in den japanischen offengelegten Patentanmeldungen Nr. 2003-178782 und Nr. 205-158426 offenbart ist, in der Annahme, daß die Gaskanäle einschließlich des Hauptteils der Brennstoffzelle und die Wasserstoffpumpe Spülkanäle sind, entsteht das Problem dadurch, das es schwierig ist, die Feuchtigkeit in den Gaskanälen wirksam aus dem System zu beseitigen, weil die Feuchtigkeit im Hauptteil der Brennstoffzelle in die Bestandteile des Systems fließt, die auf der stromab gelegenen Seite der Gasströmung, angeordnet sind, wie die Pumpen und Ventile.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein verbessertes Brennstoffzellensystem offenbart, bei dem das obige Problem beseitigt ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das wirksam zum Zeitpunkt des Systemstarts ein Einfrieren der Bestandteile verhindert, die in den Kanälen für das Brenngas und/oder das als Oxidationsmittel dienende Gas angeordnet sind, wie etwa Pumpen.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die eines oder mehrere der vorstehend genannten Probleme löst, ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, umfassend einen Hauptteil einer Brennstoffzelle, einen dem Hauptteil der Brennstoffzelle ein reaktives Gas zuführenden und das reaktive Gas aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abführenden Gaskanal und einen Einstellteil, der den Strömungszustand des reaktiven Gases im Gaskanal einstellt, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens zwei Spülkanäle umfaßt, die einen Teil des Gaskanals spülen, wobei ein erster Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil des Brennstoffzelle umfaßt, und ein zweiter Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil der Brennstoffelle umgeht.
Es sollte beachtet werden, daß der Einstellteil einen Bestandteil des Systems benennt, der bei einem Teil der Gaskanäle angeordnet ist, die reaktives Gas zuführen und abführen, wie einer Pumpe, einem Ventil, eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung, ein Befeuchter, oder eine Rohreitung. Es sind beim erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wenigstens zwei Spülkanäle vorgesehen und die Spülung des ersten Spülkanals einschließlich des Hauptteils der Brennstoffzelle erfolgt zum Zeitpunkt eines Systemstopps. Danach wird die Spülung des zweiten Spülkanals durchgeführt, der den Hauptteil der Brennstoffzelle nicht enthält. Deshalb ist es möglich, das Restwasser aus dem betroffenen Gaskanal wirkungsvoll zu entfernen, ohne durch die aus der Brennstoffzelle abgeführte Feuchtigkeit beeinflußt zu werden.
Das oben erwähnte Brennstoffzellensystem kann so angeordnet werden, daß sowohl der erste als auch der zweite Spülkanal den gleichen Einstellteil enthalten. Dadurch ist es möglich, eine wirkungsvolle Trocknung des betroffenen Einstellteils durchzuführen.
Das oben erwähnte Brennstoffzellensystem kann so angeordnet sein, daß ein Teil des das reaktive Gas abführenden Gaskanals einen Zirkulationskanal einschließt, der durch Anwendung einer Zirkulationspumpe das abgeführte reaktive Gas in einen Teil des das reaktive Gas zuführenden Kanals zurückführt, wobei sowohl der erste als auch der zweite Spülkanal die Zirkulationspumpe enthält. Durch diese Konstruktion wird zunächst beim Abschalten des Brennstoffzellensystems die Spülung im ersten, den Hauptteil der Brennstoffzelle enthaltenden Spülkanal durchgeführt und dann wird die Spülung im zweiten, die Zirkulationspumpe enthaltenden Spülkanal ohne Beeinflussung durch den Hauptteil der Brennstoffzelle durchgeführt. Somit ist es möglich, eine wirkungsvolle Trocknung der Zirkulationspumpe zu realisieren.
Das oben erwähnte Brennstoffzellensystem kann so angeordnet sein, daß der zweite Spülkanal einen Bypasskanal enthält, dessen eines Ende mit einer Stelle des Zirkulationskanals zwischen der Zirkulationspumpe und dem das reaktive Gas führenden Teil des Gaskanals verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einer Stelle des Zirkulationskanals zwischen dem Hauptteil der Brennstoffzelle und der Zirkulationspumpe verbunden ist.
Das oben erwähnte Brennstoffzellensystem kann so angeordnet sein, daß wenigstens einer der ersten und zweiten Spülkanäle eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung enthält. In diesem Falle wird die im Kanal für das reaktive Gas verbleibende Feuchtigkeit gesammelt und vom System durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung abgeführt, und es ist möglich, eine wirkungsvolle Trocknung des Einstellteils zu realisieren.
Das oben erwähnte Brennstoffzellensystem kann so angeordnet sein, daß der zweite Spülkanal mit einem reaktiven Gas gespült wird, das nicht über den Hauptteil der Brennstoffzelle zirkuliert. In diesem Falle kann der zweite Spülkanal mit trockenem reaktivem Gas gespült werden, das keine Feuchtigkeit enthält, und es ist möglich, eine wirkungsvolle Trocknung des Einstellteils zu realisieren.
Als eine Ausführungsform der Erfindung, die eines oder mehrere der oben erwähnten Probleme löst, wird ein Verfahren zum Abschalten des oben erwähnten Brennstoffzellensystems offenbart, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Durchführung einer Spülung im ersten Spülkanal vor einem Systemstopp und Durchführung einer Spülung im zweiten Spülkanal vor einem Systemstopp. Durch dieses Verfahren ist es möglich, die Bestandteile in einem Zustand zu trocknen, in dem sie nach dem Trocknen des Hauptteils der Brennstoffzelle vom Hauptteil der Brennstoffzelle getrennt sind, und es ist möglich, ein wirkungsvolles Trocknungsverfahren zu realisieren.
Das oben erwähnte Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems kann so angeordnet sein, daß das Brennstoffzellensystem weiter eine Ermittlungseinheit umfaßt, die die Temperatur an einer vorgegebenen Stelle feststellt und, wenn die von der Ermittlungseinheit festgestellte Temperatur geringer ist als eine Bezugstemperatur oder dieser gleich, wird die Spülung sowohl im ersten Spülkanal wie auch im zweiten Spülkanal durchgeführt. Durch dieses Verfahren werden die oben erwähnten Schritte nur durchgeführt, wenn sich das Brennstoffzellensystem in einem Zustand mit niedriger Umgebungstemperatur befindet, bei dem mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Einfrieren eintreten kann, und es wird eine Energieeinsparung beim Brennstoffzellensystem erreicht.
Das oben erwähnte Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems kann so gestaltet sein, daß, wenn festgestellt wird, daß die Menge des Restwassers im ersten Spülkanal geringer ist als ein Bezugswert oder diesem gleich, vom Schritt der Durchführung der Spülung im ersten Spülkanal zum Schritt der Durchführung der Spülung im zweiten Spülkanal weitergeschaltet wird. Dadurch können die betroffenen Teile zuverlässig und wirkungsvoll getrocknet werden.
WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann die im Gaskanal verbleibende Feuchtigkeit wirkungsvoll abgeführt werden und das Einfrieren einer Pumpe oder anderer Bestandteile beim gestoppten Zustand des Brennstoffzellensystems kann verhindert werden. Deshalb ist es möglich, das Brennstoffzellensystem selbst bei niedriger Umgebungstemperatur beim nächsten Systemstart unverzüglich zu starten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild der Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Aktion des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform beim Beginn des Abschaltens des Brennstoffzellensystems.
3 ist ein Schaltbild der Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
BESTE ART, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
Es erfolgt nun eine Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform des Brennstoffzellensystems erläutert, bei der die Erfindung auf die Brenngaszuführ- und abführ- (oder Zirkulations-)kanäle angewandt wird. Jedoch kann die Erfindung auch auf die Kanäle für das als Oxidationsmittel dienende Gas angewandt werden.
Die 1 zeigt die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dieses System besitzt einen Hauptteil 1 der Brennstoffzelle, und im Hauptteil der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung kann beispielsweise als Antriebsquelle für ein Kraftfahrzeug dienen.
Das Brennstoffzellensystem schließt weiter einen Brenngaskanal 2 für die Zirkulation eines Brenngases innerhalb des Brennstoffzellensystems, einen Kanal 3 für die Zirkulation eines als Oxidationsmittel dienenden Gases innerhalb des Brennstoffzellensystems und eine Steuereinheit 4 ein. Nachfolgend wird ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems beschrieben, das Wasserstoffgas als das der Brennstoffzelle zugeführte Brenngas benutzt.
Der Brenngaskanal 2 schließt einen Brenngaszuführkanal 201 ein, um von einer Quelle von Wasserstoffbrenngas, wie einem Hochdruck-Wasserstofftank 200, dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle Wasserstoffbrenngas zuzuführen, sowie einen Abführkanal 203 für Brennstoff-Abgas zur Abführung von Brennstoff-Abgas aus dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle.
Der Abführkanal 203 für Brennstoff-Abgas ist im wesentlichen ein Zirkulationskanal, und dieser Kanal verbindet den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle mit dem Brenngaszuführkanal 201 über eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 und eine Wasserstoffpumpe 210. die später erwähnt werden. Der Abführkanal 203 für Brennstoff-Abgas kann auch als Zirkulationskanal 203 bezeichnet werden. Ein erster Zweigkanal 207 und ein zweiter Zweigkanal 209 sind mit dem Zirkulationskanal 203 verbunden.
Ein normalerweise geschlossenes Magnetventil 230 ist an einer Auslaßöffnung des Hochdruck-Wasserstofftanks 200 angeordnet und ein Druckreduziersteuerventil 232 und ein normalerweise geschlossenes Magnetventil 234 sind im Brenngaszuführkanal 201 des Brenngaskanals 2 in einer vom Hauptteil 1 der Brennstoffzelle abgelegenen Position bzw. einer nahe dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle gelegenen Position angeordnet.
Andererseits sind im Zirkulationskanal 203 ein normalerweise geschlossenes Druckreduziersteuerventil 240, eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220, eine Wasserstoffpumpe 210 und ein Rückschlagventil 242 in dieser Reihenfolge jeweils an Positionen längs des Zirkulationskanals angeordnet, die sich außerhalb des Hauptteils 1 der Brennstoffzelle befinden.
Der erste Zweigkanal 207 ist mit der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 über das normalerweise geschlossene Magnetventil 224 verbunden. Der zweite Zweigkanal 209 ist an einem zwischen der Auslaßöffnung der Wasserstoffpumpe 210 und dem Verbindungspunkt A des Zirkulationskanals 203 mit dem Brenngaszuführkanal 201 gelegenen Punkt mit dem Zirkulationskanal 203 verbunden.
Ein normalerweise geschlossenes Magnetventil (Spülventil) 246 und eine Verdünnungsvorrichtung 250 sind im zweiten Zweigkanal 209 angeordnet. und das andere Ende des zweiten Zweigkanals 209 am Ausgang der Verdünnungsvorrichtung 250 ist mit einem später erwähnten Abführkanal 303 für das als Oxidationsmittel dienende Gas verbunden. Das andere Ende des ersten Zweigkanals 207 ist ebenfalls mit dem Abführkanal 303 für das als Oxidationsmittel dienende Gas verbunden.
Ein vom Zirkulationskanal 203 abzweigender Bypasskanal 250 ist mit dem Zirkulationskanal 203 an einem Punkt zwischen der Wasserstoffpumpe 210 und dem Verbindungspunkt A (der Verbindungspunkt des Zirkulationskanals 203 und des Brenngaszuführkanals 201) verbunden. Dieser Bypasskanal 250 ist wieder an einer Position zwischen dem Magnetventil 240 und der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 über ein Magnetventil 515 mit dem Zirkulationskanal 203 verbunden.
Andererseits enthält der Kanal 3 für das als Oxidationsmittel dienende Gas einen Zuführkanal 301 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, um den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle mit dem als Oxidationsmittel dienenden Gas zu versorgen, sowie einen Abführkanal 303 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases, um ein als Oxidationsmittel dienendes Gas aus dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle abzuleiten.
Ein Kompressor 305 und ein Befeuchter 325 sind im Zuführkanal 301 für das als Oxidationsmittel dienende Gas angeordnet. Der Befeuchter 325 ist im als Oxidationsmittel dienenden Gas angeordnet und ein Magnetventil (Luftauslaßventil) 309 ist zwischen dem Befeuchter 325 und dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle angeordnet.
Der Abführkanal 303 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases schließt einen Zweigkanal 312 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases ein, der in Bezug auf den Verbindungspunkt des Abführkanals 303 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases und des Zweigkanals 207 stromab angeordnet ist, und dieser Zweigkanal 312 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases ist mit der Verdünnungsvorrichtung 250 verbunden.
Alternativ können die Verdünnungsvorrichtung 250 und der Zweigkanal 312 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases im Brennstoffzellensystem weggelassen werden.
Die Steuereinheit 4 steuert die entsprechenden Ventile 234, 240, 244, 246, 230, 232, 309, die Wasserstoffpumpe 210 und den Kompressor 305 ansprechend auf das Ergebnis 400 einer Druckmessung und das Ergebnis 401 einer Temperaturmessung, von einem Drucksensor bzw. einem Temperatursensor, die an vorgegebenen Positionen der oben erwähnten Kanäle angeordnet sind. Überdies steuert die Steuereinheit 4 ein Magnetventil 515, das später erwähnt wird. Im Interesse der Übersichtlichkeit der Darstellung sind im Schaltbild der 1 die Verbindungsleitungen zwischen der Steuereinheit und den Einzelteilen weggelassen.
Nun erfolgt eine Beschreibung des normalen Strömungswegs des als Oxidationsmittel dienenden Gases. Bei einem normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der Kompressor 305 durch die Steuereinheit 4 angetrieben, so daß die Atmosphärenluft als das als Oxidationsmittel dienende Gas aufgenommen wird, dem Zuführkanal 301 für das als Oxidationsmittel dienende Gas durchströmt und über den Befeuchter 325 dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Das zugeführte, als Oxidationsmittel dienende Gas wird durch die elektrochemische Reaktion im Hauptteil 1 der Brennstoffzelle verbraucht und dann als Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases aus dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle abgeführt. Das abgeführte Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases durchströmt den Abführkanal 303 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases und wird nach der Außenseite des Brennstoffzellensystems entlassen.
Danach folgt die Beschreibung des Strömungsweges des Wasserstoffgases. Beim normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems wird das Magnetventil 230 durch die Steuereinheit 4 derart geöffnet, daß Wasserstoffgas vom Hochdruck-Wasserstofftank 200 eintritt und den Brenngaszuführkanal 201 durchströmt, worauf dann sein Druck durch das Druckreduziersteuerventil 232 vermindert wird. Danach wird das Wasserstoffgas über das Magnetventil 234 dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle zugeführt.
Das zugeführte Wasserstoffgas wird durch die elektrochemische Reaktion im Hauptteil 1 der Brennstoffzelle verbraucht und dann als Wasserstoffabgas aus dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle abgeführt. Nachdem es durch den Zirkulationskanal 203 geströmt ist und die Feuchtigkeit durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 entfernt wurde, wird das abgeführte Wasserstoffabgas über die Wasserstoffpumpe 210 zum Brenngaszuführkanal 201 zurückgeführt und wieder dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle zugeführt.
Weil das Rückschlagventil 242 zwischen der Wasserstoffpumpe 210 und dem Verbindungspunkt A des Brenngaszuführkanals 201 und dem Zirkulationskanal 203 angeordnet ist, fließt das zirkulierende Wasserstoffabgas nicht rückwärts.
Normalerweise sind die Magnetventile 244 und 246 im ersten und im zweiten Zweigkanal 207 und 209 in den geschlossenen Zustand versetzt. Falls diese Ventile bei Bedarf in den geöffneten Zustand versetzt sind, wird das Feuchtigkeit enthaltende, durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 bearbeitete Gas und das keiner Zirkulation bedürfende Wasserstoffabgas über die entsprechenden Zweigkanäle abgeführt. Diese Flüssigkeiten und/oder Gase werden aus dem Brennstoffzellensystem über den Abführkanal 303 für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases abgeleitet.
Nun wird die Aktion zur Verhinderung des Einfrierens eines Bestandteils des Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Im Folgenden wird die Aktion zur Verhinderung des Einfrierens einer Wasserstoffpumpe des Brennstoffzellensystems als ein typisches Beispiel beschrieben.
Im allgemeinen werden, wenn das Brennstoffzellensystem in einer Umgebung mit niedriger Temperatur gestoppt wird, die Bestandteile des Systems (eine Pumpe, verschiedene Ventile, eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung, ein Befeuchter, ein Rohrleitungssystem usw.) durch Kondensation der im System verbleibenden, Feuchtigkeit enthaltenden Gase einfrieren. Dies kann Schwierigkeiten beim Anspringen des Brennstoffzellensystems beim folgenden Systemstart verursachen. Ein denkbares Verfahren zur Vermeidung des Einfrierens solcher Bestandteile besteht darin, daß ein Brennstoffabgas oder dergleichen dem Brenngaskanal 2 zugeleitet wird und das Restwasser veranlaßt wird, vor dem Abschalten des Systems oder während des Abschalten des Systems zu entweichen.
Beispielsweise ist es ein vorstellbares Verfahren zum Trocknen der Wasserstoffpumpe 210, einen Spülkanal (der später als erster Spülkanal 600 bezeichnet wird) für den gesamten Brenngaskanal einschließlich des Hauptteils 1 der Brennstoffzelle zu gestalten.
Jedoch tritt in diesem Falle, falls eine zirkulierende Spülung des Wasserstoffabgases wiederholt wird, bis geprüft ist, daß die Restwassermenge geringer ist als ein Bezugswert oder gleich diesem, das Restwasser aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle kontinuierlich in die Wasserstoffpumpe ein. Somit wird die Spülaktion wiederholt, bis sowohl das Trocknen des Hauptteils der Brennstoffzelle als auch das Trocknen der Wasserstoffpumpe vollendet sind.
Normalerweise wird im Vergleich mit den Fällen anderer Bestandteile mehr Zeit für die Entfernung des Restwassers aus der Wasserstoffpumpe benötigt. Falls das oben erwähnte vorstellbare Verfahren benutzt wird, ist wird der Wirkungsgrad der Trocknung der Wasserstoffpumpe gering sein und es wird beträchtliche Zeit bis zum Systemstopp vergehen.
Um das Problem zu umgehen, ist das Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß zwei Spülkanäle (erster und zweiter Spülkanal) gebildet werden und vor einem Systemstopp bei einer niedrigen Umgebungstemperatur zwei Schritte der Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung ausgeführt werden. Beim ersten Schritt der Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung wird die Feuchtigkeitsentfernung im den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle enthaltenden ersten Spülkanal derart ausgeführt, daß der Hauptteil 1 der Brennstoffzelle getrocknet wird. Danach wird beim zweiten Schritt der Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung die Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung bei der Wasserstoffpumpe 210 ausgeführt, die sich im zweiten Spülkanal befindet, der den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle nicht enthält. Deshalb ist es möglich, die Feuchtigkeitsentfernung bei der Wasserstoffpumpe wirkungsvoll durchzuführen.
Das oben erwähnte Verfahren einer zweistufigen Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung wird nun im Detail beschrieben. Beim ersten Schritt zirkuliert das Brennstoffabgas innerhalb eines ersten Spülkanals 600, der in 1 durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist. Und zwar wird das Brennstoffabgas durch Gebrauch der Wasserstoffpumpe 210 in dem Pfad, der den Zirkulationskanal 203 zwischen dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle und der Wasserstoffpumpe 210 enthält, und dem Brenngaszuführkanal 201 zwischen dem Punkt A und dem Hauptteil 1 der Brennstoffzelle in Zirkulation versetzt; und eine rückgewinnende Entfernung des Restwassers innerhalb des Systems wird durch die Nutzung der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 durchgeführt. Bei diesem Schritt sind das Druckreduziersteuerventil 234 und das Magnetventil 240 in den geöffneten Zustand versetzt und die Magnetventile 230, 232, 515 sind in den geschlossenen Zustand versetzt. Die im Hauptteil 1 der Brennstoffzelle verbleibende Restfeuchtigkeit wird durch die Zirkulationsaktion des Brennstoffabgases vollständig abgeführt.
Danach wird beim zweiten Schritt in einem zweiten Spülkanal 610, der in 1 durch eine gestrichelte Doppellinie angezeigt ist und der den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle umgeht, das Brennstoffabgas durch Gebrauch der Wasserstoffpumpe 210 in Zirkulation versetzt, so daß das Restwasser durch die Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 210 entfernt wird. Bei diesem Schritt sind das Druckreduziersteuerventil 234 und das Magnetventil 240 in den geschlossenen Zustand und das Magnetventil 515 in den geöffneten Zustand versetzt. Demgemäß kann die Wasserstoffpumpe 210 wirkungsvoll getrocknet werden, ohne durch den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle beeinflußt zu werden.
Die 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Aktion des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform beim Beginn des Stoppens des Brennstoffzellensystems.
Beim Schritt S10 wird die Temperatur der Außenluft oder die Temperatur des Rohrleitungssystems (beispielsweise die Temperatur eines der Rohre der in 1 gezeigten Brenngaskanäle 2) durch Verwendung einer Ermittlungseinheit, wie eines Temperatursensors, gemessen und die Steuereinheit 4 stellt fest, ob die Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung für die Verhinderung des Einfrierens erforderlich ist, auf der Basis des Ergebnisses eines Vergleichs der gemessenen Temperatur 401 und eines vorgegebenen Schwellenwerts.
Wenn die gemessene Temperatur 401 geringer ist als der Schwellenwert oder diesem gleich, entscheidet die Steuereinheit 4, daß die Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung im Brenngaskanal 2 erforderlich ist. In diesem Falle schreitet die Steuerung zum nächsten Schritt S20 fort.
Andererseits, wenn die gemessene Temperatur 401 den Schwellenwert überschreiet, wird der Befehl für die Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung nicht von der Steuereinheit 4 ausgegeben und das Brennstoffzellensystem wird gestoppt, ohne irgendeine spezielle Aktion auszuführen. Deshalb ist es möglich, durch diesen Beurteilungsschritt S10 Energie zu sparen.
Beim normalen System kann die Aktion zur Durchführung einer Spülung im ersten Spülkanal vor einem Systemstopp als normale Art des Abschaltens einbezogen werden. Im Falle eines solchen Systems wird, wenn beim Schritt S10 festgestellt wurde, daß die gemessene Temperatur 401 den Schwellenwert überschreitet, nur die Spülung im ersten Spülkanal unmittelbar vor dem Systemstopp durchgeführt werden.
Beim Schritt S20 sind die Magnetventile 230 und 515 auf den geschlossenen Zustand eingestellt (oder der geschlossene Zustand wird überprüft) und die Magnetventile 234 uns 240 sind auf den geöffneten Zustand eingestellt (oder der geöffnete Zustand wird überprüft), um den ersten Spülkanal 600 zu bilden. Und die Wasserstoffpumpe 210 wird betrieben, um die Zirkulation des Brennstoffabgases innerhalb des ersten Spülkanals 600 zu starten. Demgemäß wird der Vorgang zur Sammlung der Restfeuchtigkeit in dem den Hauptteil 1 der Brennstoffzelle enthaltenden ersten Spülkanal 600 durch Anwendung der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 durchgeführt.
Beim Schritt S30 wird beurteilt, ob die Restwassermenge im ersten Spülkanal geringer ist als ein Bezugswert oder diesem gleich.
Wenn festgestellt wird, daß die Restwassermenge den Bezugswert überschreitet, wird die Zirkulation des Brennstoffabgases im ersten Spülkanal kontinuierlich durchgeführt.
Andererseits, wenn festgestellt wird, daß die Menge des Restwassers geringer ist als der Bezugswert oder diesem gleich, ist die Aktion zur Restwasserentfernung im ersten Spülkanal vollendet und die Steuerung schaltet weiter zum Schritt S40. In Bezug darauf kann von der Steuereinheit 4 eine der folgenden Verfahrensweisen (1) und (2) benutzt werden, um festzustellen, ob die Restwassermenge im ersten Spülkanal geringer als der Bezugswert ist oder diesem gleich. Bei der ersten Verfahrensweise (1) wird das Verhältnis zwischen der Betriebsdauer der Wasserstoffpumpe und der entfernten Feuchtigkeitsmenge vorab in der Steuereinheit 4 gespeichert, und wenn die Betriebsdauer der Wasserstoffpumpe die vorgegebene Betriebsdauer erreicht, wird die Restwassermenge im ersten Spülkanal als geringer als der Bezugswert oder diesem gleich bestimmt. Bei der zweiten Verfahrensweise (2) wird vorab ein Sensor für das Flüssigkeitsniveau in der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung angeordnet, wobei die Änderungsgeschwindigkeit der durch die Zirkulation des Brennstoffabgases im ersten Spülkanal angesammelten, entfernten Feuchtigkeit durch Gebrauch des Sensors überwacht wird, und wenn die überwachte Änderungsgeschwindigkeit geringer ist als ein vorgegebener Wert oder gleich diesem, wird festgestellt, daß die Restwassermenge im ersten Spülkanal kleiner ist als der Bezugswert oder diesem gleich. Im Falle der ersten Verfahrensweise (1) kann das Verhältnis zwischen der Betriebszeit der Wasserstoffpumpe und der entfernten Feuchtigkeitsmenge variieren in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennstoffzelle, wie etwa der in der Brennstoffzelle erzeugten Elektrizitätsmenge, der Kühlwassertemperatur, etc.. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl solcher Verhältnisse unter verschiedenen Bedingungen vorab in der Steuereinheit 4 gespeichert.
Beim Schritt S40 befinden sich entsprechend den Befehlen von der Steuereinheit 4 die Magnetventile 234 und 240 im geschlossenen Zustand und das Solenoidventil in geöffnetem Zustand, um den zweiten Spülkanal 610 zu bilden. Somit wird die Zirkulation des Brennstoffabgases durch die Wasserstoffpumpe 210 auch im zweiten Spülkanal 610 durchgeführt.
Beim Schritt S50 wird festgesellt, ob die Restwassermenge im zweiten Spülkanal 610 geringer ist als der Bezugswert oder diesem gleich.
Wenn festgestellt wird, daß die Restwassermenge den Bezugswert überschreitet, wird die Zirkulation des Brennstoffabgases im zweiten Spülkanal 610 kontinuierlich ausgeführt.
Andererseits wird, wenn festgestellt wird, daß die Restwassermenge geringer ist als der Bezugswert oder diesem gleich. Die Aktion zur Entfernung des Restwassers im zweiten Spülkanal 610 vollendet und das Brennstoffzellensystem befindet sich in einem abgeschalteten Zustand.
Auch bei diesem Schritt kann ein Verfahren zur Feststellung der Restwassermenge im zweiten Spülkanal benutzt werden, das das gleiche ist, wie das oben erwähnte Verfahren zur Feststellung der Restwassermenge im ersten Spülkanal 600 beim Schritt S30.
Das Verfahren bei den oben erwähnten Schritten ermöglicht es, daß die Trocknung der Bestandteile im Brenngaskanal, wie einer Wasserstoffpumpe, zuverlässig und wirkungsvoll erfolgt.
Die 3 zeigt die Zusammenstellung eines Brennstoffzellensystems einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Bei dieser Ausführungsform unterscheidet sich die Position des Bypasskanals von der in 1 gezeigten, und andere sind die gleichen wie bei der vorherigen Ausführungsform nach 1. Insbesondere ist ein Ende des Bypasskanals 530 dieser Ausführungsform mit dem Brenngaszuführkanal 201 an einem Zwischenpunkt (Verbindungspunkt B) zwischen dem Magnetventil 234 und dem Verbindungspunkt A (dem Verbindungspunkt des Brenngaszuführkanals 201 mit dem Zirkulationskanal 203) verbunden. Das andere Ende des Bypasskanals 530 ist mit dem Zirkulationskanal 203 bei einem Zwischenpunkt (Verbindungspunkt C) zwischen der Wasserstoffpumpe 210 und der Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung 220 verbunden. Im Bypasskanal 530 ist ein Magnetventil 525 angeordnet.
Ähnlich der vorhergehenden Ausführungsform nach 1 wird beim Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform die Zirkulation des Brennstoffabgases innerhalb des ersten Spülkanals 600 zur Zeit des ersten Schritts der Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung durchgeführt.
Jedoch sind die Magnetventile 234 und 240 in den geschlossenen Zustand versetzt und die Magnetventile 230, 246, 525 und das Druckreduziersteuerventil 232 in den geöffneten Zustand, wenn beim Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform der zweite Schritt der Aktion zur Feuchtigkeitsentfernung durchgeführt wird. Und zwar strömt trockenes Wasserstoffgas über den den Hochdruck-Wasserstofftank 200, den Verbindungspunkt B des Brenngaszuführkanals 201 und des Bypasskanals 530 und den Verbindungspunkt C des Bypasskanals 230 und des Zirkulationskanals 203 enthaltenden Pfad in die Wasserstoffpumpe 210, so daß das in der Wasserstoffpumpe 210 enthaltene Restwasser abgeführt wird. Das aus der Wasserstoffpumpe 210 abgeführte, Feuchtigkeit enthaltende Wasserstoffgas wird über das Magnetventil 246 und die Verdünnungsvorrichtung 250 abgeführt. Im Falle dieses Systems wird zur Entfernung des Restwassers ein frisches, trockenes Wasserstoffgas benutzt und es ist möglich, eine wirkungsvolle Feuchtigkeitsentfernung durchzuführen.
Es sollte beachtet werden, daß die das System stoppende Aktion durch das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung nicht darauf beschränkt ist, wenn das Brennstoffzellensystem aus einem Betriebszustand gestoppt wird. Beispielsweise ist es auch möglich, falls erforderlich, die oben erwähnte Aktion (2) auszuführen, wenn das Brennstoffzellensystem in einer Umgebung mit niedriger Temperatur gestoppt wird und Bestandteile des Systems einfrieren können.
In diesem Falle kann anstelle des Brennstoffabgases Wasserstoffgas aus dem Hochdruck-Wasserstofftank 200 als das Gas benutzt werden, das in den beiden Spülkanälen zur Zirkulation gebracht wird.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen wurde das Beispiel beschrieben, in welchem eine Trocknung der Wasserstoffpumpe 210 wirkungsvoll ausgeführt wird; und zwar die Zusammenstellung, bei der dargestellt ist, daß die Wasserstoffpumpe 210 und der Hauptteil 1 der Brennstoffzelle im ersten Spülkanal enthalten sind, während die Wasserstoffpumpe 210, nicht aber der Hauptteil 1 der Brennstoffzelle im zweiten Spülkanal enthalten sind. Jedoch sind die beiden Spülkanäle nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt. Überdies sind die Bestandteile des Systems, auf die die Erfindung angewandt werden kann, nicht auf die Wasserstoffpumpe beschränkt. Beispielsweise kann die Erfindung auf einen anderen Bestandteil (ein Ventil, einen Befeuchter, eine Rohrleitung, etc.) angewandt werden, der sich in dem zum System gehörigen Kanal für das reaktive Gas befindet, und der erste Spülkanal kann so ausgebildet sein, daß er den Hauptteil der Brennstoffzelle enthält (ob der Bestandteil eingeschlossen ist oder nicht steht zur Wahl), und der zweite Spülkanal kann so gestaltet sein, daß er den Bestandteil enthält ohne den Hauptteil der Brennstoffzelle zu enthalten.
Dir vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezielle Struktur des Brennstoffzellensystems, wie in den oben erwähnten Ausführungsformen, beschränkt, die nur zum Zwecke der Erläuterung benutzt wurden. Es sollte berücksichtigt werden, daß beim aktuellen Brennstoffzellensystem andere Bestandteile, wie Magnetventile und Rohrleitungen, an Positionen benutzt werden können, die nicht in den oben erwähnten Ausführungsformen gezeigt sind, und, im Gegenteil, einige in 1 oder 3 gezeigte Bestandteile können beim aktuellen Brennstoffzellensystem weggelassen werden.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der und beansprucht die Priorität der am 5. Dezember 2005 angemeldeten japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-350551 , deren Inhalt zur Gänze durch Bezugnahme hier einbezogen wird.
Zusammenfassung
BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZU SEINER ABSCHALTUNG
Ein Brennstoffzellensystem schließt einen Hauptteil einer Brennstoffzelle ein, einen reaktives Gas zum Hauptteil der Brennstoffzelle zuführenden und das reaktive Gas aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abführenden Gaskanal, und einen Einstellteil, der die Strömungsbedingungen des reaktiven Gases im Gaskanal einstellt. Das Brennstoffzellensystem schließt wenigstens zwei Spülkanäle ein, die einen Teil des. Gaskanals spülen, wobei ein erster Spülkanal ausgebildet ist, der den Hauptteil der Brennstoffzelle einschließt, und ein zweiter Spülkanal, der den Hauptteil der wird Brennstoffzelle umgeht.

1: Hauptteil der Brennstoffzelle
2: Brenngaskanal
3: Kanal für das als Oxidationsmittel dienende Gas
4: Steuereinheit
200: Hochdruck-Wasserstofftank
201: Brenngaszuführkanal
203: Zirkulationskanal
207: erster Zweigkanal
209: zweiter Zweigkanal
210: Wasserstoffpumpe
220: Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung für Brennstoffabgas
230, 234, 240, 244, 246: Magnetventile
232: Druckreduziersteuerventil
242: Rückschlagventil
250: Verdünnungsvorrichtung
301: Zuführkanal für das als Oxidationsmittel dienendes Gas
303: Abführkanal für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases
305: Kompressor
325: Befeuchter
312: Zweigkanal für das Abgas des als Oxidationsmittel dienenden Gases
400: Ergebnis der Druckmessung
401: Ergebnis der Druckmessung
515, 525: Magnetventile
520, 530: Bypasskanäle
600: erster Spülkanal
610: zweiter Spülkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2003-178782 [0006, 0007, 0009]
- JP 2005-158426 [0007, 0007, 0008]
- JP 3003-178782 [0008]
- JP 205-158426 [0009]
- JP 2005-350551 [0079]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend einen Hauptteil einer Brennstoffzelle, einen dem Hauptteil der Brennstoffzelle ein reaktives Gas zuführenden und das reaktive Gas aus dem Hauptteil der Brennstoffzelle abführenden Gaskanal, und einen Einstellteil, der den Strömungszustand des reaktiven Gases im Gaskanal einstellt, wobei das Brennstoffzellensystem umfaßt: wenigstens zwei Spülkanäle, die einen Teil des Gaskanals spülen, wobei ein erster Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil des Brennstoffzelle umfaßt, und ein zweiter Spülkanal so ausgebildet ist, daß er den Hauptteil der Brennstoffelle umgeht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem sowohl der erste als auch der zweite Spülkanal den gleichen Einstellteil enthalten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem ein Teil des das reaktive Gas abführenden Gaskanals einen Zirkulationskanal einschließt, der durch Anwendung einer Zirkulationspumpe das abgeführte reaktive Gas in einen Teil des das reaktive Gas zuführenden Kanals zurückführt, wobei sowohl der erste als auch der zweite Spülkanal die Zirkulationspumpe enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei welchem der zweite Spülkanal einen Bypasskanal enthält, dessen eines Ende mit einer Stelle des Zirkulationskanals zwischen der Zirkulationspumpe und dem das reaktive Gas führenden Teil des Gaskanals verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einer Stelle des Zirkulationskanals zwischen dem Hauptteil der Brennstoffzelle und der Zirkulationspumpe verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens einer der ersten und zweiten Spülkanäle eine Gas/Flüssigkeit-Scheidevorrichtung enthält.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Spülkanal mit einem reaktiven Gas gespült wird, das nicht über den Hauptteil der Brennstoffzelle zirkuliert.
Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, folgende Schritte umfassend: Durchführung einer Spülung im ersten Spülkanal vor einem Systemstopp, und Durchführung einer Spülung im zweiten Spülkanal vor einem Systemstopp.
Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem eine Ermittlungseinheit umfaßt, die die Temperatur an einer vorgegebenen Stelle feststellt und, wenn die von der Ermittlungseinheit festgestellte Temperatur geringer ist als eine Bezugstemperatur oder dieser gleich, wird die Spülung sowohl im ersten Spülkanal wie auch im zweiten Spülkanal durchgeführt.
Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 7, bei welchem, wenn festgestellt wird, daß die Menge des Restwassers im ersten Spülkanal geringer ist als ein Bezugswert oder diesem gleich, wird vom Schritt der Durchführung der Spülung im ersten Spülkanal zum Schritt der Durchführung der Spülung im zweiten Spülkanal weitergeschaltet.