DE69520082T2

DE69520082T2 - Brennstoffzellengenerator und dessen Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE69520082T2
Application number: DE69520082T
Authority: DE
Inventors: Shigeyuki Kawatsu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2001-07-19
Anticipated expiration: 2015-07-13
Also published as: JPH0831442A; US5677073A; DE69520082D1; EP0692835A3; EP0692835B1; JP3564742B2; EP0692835A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellengenerator und insbesondere auf einen Brennstoffzellengenerator zum Schutz eines Elektrokatalysators in einer Brennstoffzelle vor der Vergiftung durch Kohlenmonoxid.

Beschreibung des verwandten Stands der Technik

Brennstoffzellen sind bekannte Vorrichtungen, bei welchen die chemische Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Brennstoffzelle hat im allgemeinen ein mitten durch ein Elektrolyt angeordnetes Paar von Elektroden, wobei die Oberfläche einer Elektrode mit reaktivem gasförmigen Wasserstoff (gasförmigem Brennstoff) in Kontakt gelangt, während die Oberfläche der anderen Elektrode mit einem Sauerstoff in Kontakt gelangt, der oxidierendes Gas enthält. Die elektrische Energie wird mittels der durch den Kontakt auftretenden elektrochemischen Reaktionen zwischen den Elektroden erzeugt.
Ein einer solchen Brennstoffzelle zugeführter gasförmiger Brennstoff wird durch einen Reformer erzeugt, wobei Methanol gemäß den folgenden Reaktionen dampfreformiert wird:
CH&sub3;OH → CO + 2H&sub2; - 21,7 kcal/mol (endotherme Reaktion) ... (1)
CO + H&sub2;O → CO&sub2; + H&sub2; + 9,8 kcal/mol (exotherme Reaktion) ... (2)
CH&sub3;OH + H&sub2;O → CO&sub2; + 3H&sub2; - 11,9 kcal/mol (endotherme Reaktion) ... (3)
Das durch die Reaktion (1) erzeugte Kohlenmonoxid (CO) wird durch eine als Elektrokatalysator wirkende Platinlegierung oder Platin-enthaltende Legierung der Brennstoffelektrode angezogen und greift störend in die katalytische Wirkung von Platin ein. Dies wird im allgemeinen als eine Vergiftung des Elektrokatalysators bezeichnet. Ein solcher Brennstoffzellengenerator erfordert demgemäß eine Bauform welche das Vorhandensein von Kohlenmonoxid gestattet, das in dem vom dem Reformer zugeführten gasförmigen Brennstoff enthalten ist.
Ein vorgeschlagener Brennstoffzellengenerator zur Lösung des vorhergehend genannten Problems (japanisches offengelegtes Patentblatt Nr. S-63-232272) hat einen Sensor, der an einem Einlaß einer Zufuhrleitung für gasförmigen Brennstoff in einer Brennstoffzelle angeordnet ist, um die Konzentration von Kohlenmonoxid zu erfassen. Das System erhöht die Temperatur der Brennstoffzelle gemäß der hohen Konzentration von mittels des Sensors erfaßtem Kohlenmonoxid. Die zulässige Konzentration von Kohlenmonoxid für die Brennstoffzelle steigt mit einem Anstieg in der Temperatur. Wenn der Sensor eine hohe Konzentration von Kohlenmonoxid erfaßt, erhöht die Struktur die Temperatur der Brennstoffzelle, um die zulässige Konzentration von Kohlenmonoxid für die Brennstoffzelle zu erhöhen.
Dieses herkömmliche System kann jedoch die Vergiftung nicht ausreichend rückgängig machen, da es eine Zeitverzögerung zwischen der Erfassung eines Anstiegs in der Konzentration von Kohlenmonoxid durch den Sensor und dem tatsächlichen Auftreten der Kohlenstoffvergiftung gibt.
Die Zeitverzögerung zwischen der Erfassung eines Anstiegs und dem tatsächlichen Auftreten der Kohlenstoffvergiftung ist auf die folgenden Gründe zurückzuführen. Wasserstoff in einem gasförmigen Brennstoff wird durch elektrochemische Reaktionen an der Elektrode verbraucht. Der gasförmige Brennstoff in Gaskanälen, die der Elektrode zugewandt angeordnet sind, hat demgemäß an Stellen, die einem Auslaß der Gaskanäle näher sind, höhere Konzentrationen an Kohlenmonoxid (Verhältnis von Kohlenmonoxid zu gasförmigen Wasserstoff). Die erfaßte Konzentration von Kohlenmonoxid am Einlaß der Gaskanäle repräsentiert nicht die erhöhte Konzentration von Kohlenmonoxid an der Oberfläche der Elektrode, welche tatsächlich die Elektrokatalysatorvergiftung beeinflußt. Es ist folglich auf der Basis der Erfassung des Sensors schwierig mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, ob der Elektrokatalysator vergiftet wird. Wenn der Sensor zum Beispiel die hohe Konzentration von Kohlenmonoxid erfaßt, kann die Konzentration von Kohlenmonoxid bereits am Auslaß erhöht sein, welcher weit von dem Einlaß mit dem Sensor entfernt ist. Dies kann in einer ernsthaften Vergiftung des Elektrokatalysators resultieren und die Ergreifung einer effizienten Gegenmaßnahme gegen die Elektrokatalysatorvergiftung ohne Verzögerung verhindern.
Der herkömmlicherweise angewandte Sensor hat eine mangelhafte Leistung. Ein Sensor zur Erfassung der Konzentration von Kohlenmonoxid folgt im allgemeinen einem elektrolytischen System mit konstantem Potential. Dieses wird durch Wasserstoff in signifikanter Weise beeinflußt, und die Konzentration von Kohlenmonoxid kann nicht mit hoher Genauigkeit gemessen werden, wenn das Verhältnis von Kohlenmonoxid zu Wasserstoff wie bei gasförmigem Brennstoff relativ gering ist. Die Erfassung des Sensors hat einige Fehler, und es ist unmöglich, das Auftreten der Elektrokatalysatorvergiftung auf der Basis der Erfassung des Sensors genau zu bestimmen. Derartige Probleme sind insbesondere bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen hervorstechend, bei denen ein Elektrokatalysator auf einfache Weise durch eine geringe Konzentration von Kohlenmonoxid vergiftet wird. Der Sensor von geringer Zuverlässigkeit kann die Erfassung der Elektrokatalysatorvergiftung und dadurch die Ausführung einer Gegenmaßnahme gegen die Elektrokatalysatorvergiftung verzögern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der Erfindung ist folglich, die Vergiftung des Elektrokatalysators in einer Brennstoffzelle ohne Verzögerung eindeutig zu erfassen und rückgängig zu machen.
Die vorhergehend genannte Aufgabe und die anderen Aufgaben werden durch einen Brennstoffzellengenerator zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft mittels einer elektrochemischen Reaktion eines reaktiven Gases gemäß Anspruch 1 und durch ein Brennstoffzellenerzeugungsverfahren zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft mittels einer elektrochemischen Reaktion eines reaktiven Gases gemäß Anspruch 16 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einer bevorzugten Bauform weist der Brennstoffzellengenerator ferner eine Gasausnutzungs-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Ausnutzungsgrads des reaktiven Gases an der ersten Elektrode auf. Bei dieser Bauform ist es zu bevorzugen, daß die Bewertungseinrichtung mit einer Verhinderungseinrichtung zur Verhinderung der Bewertung des Grades der Vergiftung versehen ist, wenn der Ausnutzungsgrad des reaktiven Gases einen Mangel des reaktiven Gases repräsentiert.
Die Gasausnutzungs-Berechnungseinrichtung weist vorzugsweise auf: eine Berechnungseinrichtung für die erforderliche Strömung zur Berechnung einer erforderlichen Strömung des reaktiven Gases zu der Elektrode, eine Berechnungseinrichtung für die tatsächliche Zuführung zur Berechnung einer tatsächlichen Zuführung des reaktiven Gases zu der Elektrode, und eine Differenz-Berechnungseinrichtung zur Berechnung einer Differenz zwischen der erforderlichen Strömung und der tatsächlichen Zuführung.
Gemäß einer anderen bevorzugten Bauform ist die Reaktivitätsdifferenz-Berechnungseinrichtung mit einer Temperaturdifferenz-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Differenz in der Temperatur zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs versehen.
Bei einer alternativen Bauform hat die Reaktivitätsdifferenz-Berechnungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung für die Differenz der elektrischen Ausgangsleistung zur Erfassung einer Differenz in der elektrischen Ausgangsleistung der ersten Elektrode zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs.
Gemäß noch einer anderen möglichen Bauform hat die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung eine Gasströmungs- Steuereinrichtung zur Steuerung einer Strömungsrichtung des reaktiven Gases, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.
Bei dieser Bauform ist es zu bevorzugen, daß die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist: eine zweite Elektrode, die eine Oberfläche mit einem auf diese aufgetragenen Elektrokatalysator hat, wobei ein oxidierendes Gas auf eine Oberfläche der zweiten Elektrode zugeführt wird, eine Steuereinrichtung für die Strömung des oxidierenden Gases zur Steuerung einer Strömungsrichtung des oxidierenden Gases, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases identisch mit der Strömungsrichtung des reaktiven Gases zu machen.
Bei dieser Bauform ist es gleichfalls zu bevorzugen, daß der Brennstoffzellengenerator ferner eine Kühlmittelleitung aufweist, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Elektrode verläuft, um ein Kühlmittel parallel zu der Strömungsrichtung des reaktiven Gases passieren zu lassen. In diesem Fall hat die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung eine Kühlmitteldurchfluß-Steuereinrichtung zur Steuerung einer Durchflußrichtung des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.
Es ist ferner zu bevorzugen, daß der Brennstoffzellengenerator aufweist: eine Temperatursteuereinrichtung zur Variation der Temperatur des der Kühlmittelleitung zugeführten Kühlmittels, und eine Durchflußsteuereinrichtung zur Variation eines Durchflusses des der Kühlmittelleitung zugeführten Kühlmittels. Bei dieser Bauform hat die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung vorzugsweise eine Kühlwärmemenge-Steuereinrichtung zur Aktivierung der Temperatursteuereinrichtung und der Durchflußsteuereinrichtung, um die Temperatur und den Durchfluß des Kühlmittels herabzusetzen, um eine durch die Kühlmittelkonstante adsorbierbare Wärmemenge aufrechtzuerhalten.
Gemäß einer anderen zu bevorzugenden Anwendung hat der Brennstoffzellengenerator außerdem eine Reformereinrichtung zum Reformieren eines Brennstoffs, um das reaktive Gas zu erzeugen, wobei die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung eine Reformierungsunterdrückungseinrichtung zur zwangsweisen Herabsetzung einer Konzentration von Kohlenmonoxid hat, das in dem reaktiven Gas enthalten ist. Es ist überdies zu bevorzugen, daß die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist: eine Gasdurchflußumkehreinrichtung zur Umkehrung der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der Elektrode, und eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasdurchflußumkehreinrichtung oder der Reformierungsunterdrückungseinrichtung gemäß dem durch die Bewertungseinrichtung bewerteten Grad der Vergiftung.
Gemäß noch einer anderen Anwendung hat die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung eine Zuführungsdruckerhöhungseinrichtung zur zeitweiligen Erhöhung eines Zuführungsdrucks des reaktiven Gases zu der ersten Elektrode. In diesem Fall ist es zu bevorzugen, daß die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist: eine Gasdurchflußumkehreinrichtung zur Umkehrung der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der ersten Elektrode, und eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasdurchflußumkehreinrichtung oder der Zuführungsdruckerhöhungseinrichtung gemäß dem durch die Bewertungseinrichtung bewerteten Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators.
Gemäß einer anderen bevorzugten Anwendung weist die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung eine Unterbrechungseinrichtung zum Austausch des reaktiven Gases gegen ein Spülgas auf, das entlang der Oberfläche der Elektrode strömt, um die Erzeugung der elektromotorischen Kraft zu unterbrechen. Die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung hat außerdem eine Gasdurchflußumkehreinrichtung zur Umkehrung der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der ersten Elektrode, und eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasdurchflußumkehreinrichtung oder der Unterbrechungseinrichtung gemäß dem durch die Bewertungseinrichtung bewerteten Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, welche die Brennstoffzelle 10 zeigt,
Fig. 3 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht, welche die Brennstoffzelle 10 veranschaulicht,
Fig. 4 zeigt Strömungen von gasförmigem Brennstoff auf der Basis der Einschalt-Ausschalt-Vorgänge des ersten bis vierten Magnetventils 51 bis 54,
Fig. 5 ist ein Ablaufplan, der eine durch die Zentraleinheit CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführte Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff bei dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Modifikation des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise ein Brennstoffzellengeneratorsystem 200 als ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 8 ist ein Ablaufplan, der eine durch die Zentraleinheit CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführte Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff bei dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise ein Brennstoffzellengeneratorsystem 300 als ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 10 ist ein Ablaufplan, der eine durch die Zentraleinheit CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführte Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff bei dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Brennstoffzelle 10 und umgebende Elemente in einem Brennstoffzellengeneratorsystem 400 als ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 12 ist ein Ablaufplan, der eine durch die Zentraleinheit CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführte Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff bei dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 500 als ein fünftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 600 als ein sechstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 700 als ein siebtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht, und
Fig. 16 und 17 sind Ablaufpläne, die eine durch die CPU 772 der elektronischen Steuereinheit 770 ausgeführte Steuerroutine bei dem siebten Ausführungsbeispiel zeigen.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 1 enthält eine Brennstoffzelle 10, die aus einem Festpolymer- Elektrolyt zur Erzeugung elektrischer Energie, einem Reformer 16 zur Erzeugung wasserstoffreichen Gases aus Methanol, das in einem Methanolspeicher 12 gespeichert ist, und Wasser, das in einem Wasserspeicher 14 gespeichert ist, einer Zufuhrleitung 18 für gasförmigen Brennstoff zur Zuführung des durch den Reformer 16 erzeugten wasserstoffreichen Gases als einen gasförmigen Brennstoff zu der Brennstoffzelle 10 und einer Gasausströmungsleitung 20 zur Ausströmung des restlichen Gases aus der Brennstoffzelle 10 aufgebaut ist. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 1 ist ferner mit einem elektrischen Steuersystem 22 versehen, das einen Mikrocomputer enthält.
Ein typischer Aufbau der aus einem Festpolymer-Elektrolyt aufgebauten Brennstoffzelle 10 wird gemäß der Schnittansicht von Fig. 2 und der auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht von Fig. 3 beschrieben. Die Brennstoffzelle 10 beinhaltet eine Elektrolytmembran 31, eine Anode 32 und eine Katode 33, die über der Elektrolytmembran 31 angeordnet sind, um als Gasdiffusionselektroden zu dienen, einen ersten und einen zweiten Separator 34, 35, die jeweils auf der Außenseite der Anode 32 und der Katode 33 angeordnet sind, um Strömungswege für Strömungen gasförmigen Brennstoffs und oxidierendes Gases zu bilden, und einen ersten und einen zweiten Stromsammler 36 und 37, die jeweils auf der Außenseite des ersten und zweiten Separators 34 und 35 angeordnet sind, um als Strom-sammelnde Elektroden zu dienen.
Die Elektrolytmembran 31 ist eine Ionenaustauschmembran, die aus einem Polymermaterial wie zum Beispiel Fluorharz aufgebaut ist, und hat im nassen Zustand eine befriedigende elektrische Leitfähigkeit. Die Anode 32 und die Katode 33 sind aus Kohlenstoffgewebe aufgebaut, welches aus Kohlenstoff-Fasern gewebt ist und Kohlenstoffpulver mit Platin enthält, das als ein Elektrokatalysator wirkt.
Der erste und der zweite Separator 34 und 35 sind aus dichten Kohlenstoffplatten aufgebaut. Der erste Separator 34 hat eine Vielzahl von Rippen, welche in Verbindung mit der Oberfläche der Anode 32 eine Vielzahl von ersten Kanälen 34p bilden, welche Strömungen von gasförmigem Brennstoff gestatten. Der zweite Separator 35 hat gleichfalls eine Vielzahl von Rippen, welche in Verbindung mit der Oberfläche der Katode 33 eine Vielzahl von zweiten Kanälen 35p bilden, welche Strömungen von oxidierendem Gas gestatten. Der erste und der zweite Stromsammler 36 und 37 bestehen aus Kupfer (Cu).
Jedes einzelne Zellenelement der Brennstoffzelle 10 hat den vorhergehend beschriebenen Aufbau. Bei der konkreten Bauform der Brennstoffzelle 10 sind mehrere Zellenelemente mit erstem Separator 34/Anode 32/Elektrolytmembran 31/Katode 33/zweitem Separator aufeinander gelegt, und der erste und der zweite Stromsammler 36 und 37 sind außerhalb der Mehrfach-Zellenelemente angeordnet.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, haben die Zufuhrleitung 18 für gasförmigen Brennstoff und die Gasausströmungsleitung 20 eine Rohrleitungsstruktur, welche ein Hauptrohr 40, das mit dem Reformer 16 verbunden ist, ein erstes und zweites mit dem Hauptrohr 40 verbundenes Zweigrohr 41 und 42, ein mit dem ersten und zweiten Zweigrohr 41 und 42 verbundenes kombiniertes Rohr 43, ein erstes Verbindungsrohr 44, das in der Mitte des ersten Zweigrohrs 41 abzweigt und mit einem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a auf einer Seite der Brennstoffzelle 10 in Verbindung steht, und ein zweites Verbindungsrohr 45, das in der Mitte des zweiten Zweigrohrs 42 abzweigt und mit einem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b auf der anderen Seite der Brennstoffzelle 10 in Verbindung steht, enthält. Der erste Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a ist mit einem Verteiler (nicht gezeigt) und ferner über den Verteiler mit der Vielzahl von ersten Kanälen 34p der Brennstoffzelle 10 verbunden. Der zweite Brenngas-Einlaß/- Auslaß 10b ist gleichfalls mit einem anderen Verteiler (nicht gezeigt) und ferner über den Verteiler mit der Vielzahl von ersten Kanälen 34p der Brennstoffzelle 10 verbunden.
Ein erstes Magnetventil-betätigtes Schaltventil 51 (im folgenden als Magnetventil bezeichnet) ist vor einer ersten Verbindungsstelle 44a (auf der Seite näher zu dem Reformer 16) in dem ersten Zweigrohr 41 angeordnet, wohingegen ein zweites Magnetventil 52 nach der ersten Verbindungsstelle 44a angeordnet ist. Ein drittes Magnetventil 53 ist vor einer zweiten Verbindungsstelle 45a (auf der Seite näher zu dem Reformer 16) in dem zweiten Zweigrohr 42 angeordnet, wohingegen ein viertes Magnetventil 54 nach der zweiten Verbindungsstelle 45a angeordnet ist.
Bei der somit konstruierten Zufuhrleitung 18 für gasförmigen Brennstoff und der Gasausströmungsleitung 20, wird, während das erste Magnetventil 51 und das vierte Magnetventil 54 geöffnet sind und das zweite Magnetventil 52 und das dritte Magnetventil 53 geschlossen sind, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, ein von dem Reformer 16 zugeführter gasförmiger Brennstoff durch das Hauptrohr 40 und das erste Magnetventil 51 des ersten Zweigrohrs 41 hindurchgeführt und strömt von der ersten Verbindungsstelle 44a zu dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a, wie durch die strichpunktierte Linie gezeigt ist. Der in die Brennstoffzelle 10 zugeführte gasförmige Brennstoff strömt abwärts (gemäß Zeichnung) und wird durch elektrochemische Reaktionen an der Anode 32 verbraucht. In allgemeinen Prozeduren ist die Menge von in dem gasförmigen Brennstoff oder wasserstoffreichen Gas enthaltenen Wasserstoff, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird, größer als eine durch Berechnung festgelegte erforderliche Menge. In den elektrochemischen Reaktionen nicht verbrauchter Sauerstoff und in dem wasserstoffreichen Gas enthaltenes Kohlendioxid, das aber in den elektrochemischen Reaktionen nicht von Belang ist, werden als Restgas aus dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b der Brennstoffzelle 10 abgegeben. Das Restgas passiert dann das vierte Magnetventil 54 des zweiten Zweigrohrs 42 über die zweite Verbindungsstelle 45a und wird aus dem kombinierten Rohr 43 in die Atmosphäre abgegeben. Diese Strömung von gasförmigem Brennstoff wird als Strömung in die normale Richtung definiert. Die Brennstoffzelle wird während des Anfangsbetriebs unter solchen Bedingungen gehalten.
Während das zweite Magnetventil 52 und das dritte Magnetventil 53 geöffnet sind und das erste Magnetventil 51 und das vierte Magnetventil 54 geschlossen sind, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist, wird im Gegensatz dazu ein von dem Reformer 16 zugeführter gasförmiger Brennstoff durch das Hauptrohr 40 und das dritte Magnetventil 53 des zweiten Zweigrohrs 42 hindurchgeführt und strömt von der zweiten Verbindungsstelle 45a zu dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b, wie durch die strichpunktierte Linie gezeigt ist. Der in die Brennstoffzelle 10 zugeführte gasförmige Brennstoff strömt aufwärts (gemäß Zeichnung) und wird durch elektrochemische Reaktionen an der Anode 32 verbraucht. Das von dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a der Brennstoffzelle 10 abgegebene Restgas passiert dann das zweite Magnetventil 52 des ersten Zweigrohrs 41 über die erste Verbindungsstelle 44a und wird aus dem kombinierten Rohr 43 in die Atmosphäre abgegeben. Diese Strömung von gasförmigem Brennstoff wird als Strömung in die umgekehrte Richtung definiert.
Gemäß Fig. 1 arbeitet das an den ersten Kanälen 34p (siehe Fig. 2) angeordnete Steuersystem 22 als ein Sensor zur Erfassung der Bedingungen der Brennstoffzelle 10. Das Steuersystem 22 enthält einen ersten und einen zweiten Temperatursensor 61 und 63 zur Erfassung von Temperaturen auf der Oberfläche der Anode 32 und eine elektronische Steuereinheit 70, die in Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Temperatursensor 61 und 63 stehen. Der erste und der zweite Temperatursensor 61 und 63 sind Thermoelemente, die an beiden Enden eines aus der Vielzahl der ersten Kanäle 34p ausgewählten Kanals angebracht sind. Der erste Temperatursensor 61 und der zweite Temperatursensor 63 sind jeweils in einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte in der Zeichnung gemäß Fig. 1 angeordnet.
Die elektronische Steuereinheit 70, die als eine logische Schaltung mit einem Mikrocomputer konstruiert ist, enthält eine CPU 72 zur Ausführung vorbestimmter Operationen gemäß den voreingestellten Steuerprogrammen, einen Festspeicher (ROM) 74, in welchem vorhergehend Steuerprogramme und Steuerdaten gespeichert werden, die zur Ausführung von verschiedenen Operationen durch die CPU 72 erforderlich sind, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 76, in welchen verschiedene Daten, die zur Ausführung von verschiedenen Operationen durch die CPU 72 erforderlich sind, geschrieben und aus diesem gelesen werden, eine Eingabeschaltung 78 zum Empfang von Ausgangssignalen aus dem ersten und dem zweiten Temperatursensor 61 und 63 und eine Ausgabeschaltung 79 zur Ausgabe von Ein/Ausschalt-Signalen zu dem ersten bis zu dem vierten Magnetventil 51 bis 54 auf der Basis der Resultate der Operationen durch die CPU 72.
Die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 empfängt die Ausgangssignale von dem ersten und dem zweiten Temperatursensor 61 und 63 und berechnet eine Temperaturdifferenz zwischen beiden Enden des ausgewählten ersten Kanals 34p, an denen der erste und der zweite Temperatursensor 61 und 63 angeordnet sind. Die CPU 72 schaltet das erste bis vierte Magnetventil 51 bis 54 auf der Basis dieser Temperaturdifferenz ein und aus und ändert die Strömungsrichtung des den ersten Kanälen 34p in der Brennstoffzelle 10 zugeführten gasförmigen Brennstoffs.
Fig. 5 ist ein Ablaufplan, der eine Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff zur Änderung der Strömungsrichtung von gasförmigem Brennstoff zeigt. Die Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff wird in festgelegten Zeitabständen wiederholt durch die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, liest die CPU 72 im Schritt S110 eine durch den ersten Temperatursensor 61 erfaßte erste Elektrodentemperatur T1 und eine durch den zweiten Temperatursensor 63 erfaßte zweite Elektrodentemperatur T2 ein. Im Schritt S120 wird eine Temperaturdifferenz TS durch Subtrahieren der zweiten Elektrodentemperatur T2 von der ersten Elektrodentemperatur T1 berechnet. Es wird dann im Schritt S130 festgestellt, ob die Temperaturdifferenz TS größer als ein festgelegter Wert TA (> 0) ist.
Wenn im Schritt S130 die Antwort JA lautet, d. h., wenn festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz TS größer als der festgelegte Wert TA ist, geht das Programm zum Schritt S140, bei welchem die CPU 72 Ventilschließsignale zu dem ersten Magnetventil 51 und dem vierten Magnetventil 54 überträgt, während zu dem zweiten Magnetventil 52 und dem dritten Magnetventil 53 Ventilöffnungssignale gesandt werden, um das erste und das vierte Magnetventil 51 und 54 zu schließen und das zweite und dritte Magnetventil 52 und 53 zu öffnen. Eine derartige Steuerung gestattet es dem gasförmigen Brennstoff, in der Brennstoffzelle 10 in die umgekehrte Richtung zu fließen, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist.
Die bejahende Antwort wird im Schritt S130 erzielt, wenn die durch den ersten Temperatursensor 61 erfaßte erste Elektrodentemperatur T1 um einen Wert, der größer als der festgelegte Wert TA ist, größer als die durch den zweiten Temperatursensor 63 erfaßte zweite Elektrodentemperatur T2 ist. Eine solche große Temperaturdifferenz wird der Tatsache zugeschrieben, daß verschiedene Stellen auf der Oberfläche der Anode 32 unterschiedliche Grade der Vergiftung aufweisen. Stellen mit einem höheren Grad der Vergiftung haben geringere Ausgänge, während sich der elektrische Strom auf Stellen mit geringeren Graden der Vergiftung konzentriert. Dies resultiert in einem Temperaturabfall an den Stellen mit einem höheren Grad der Vergiftung und einem Temperaturanstieg an den Stellen mit geringeren Graden von Vergiftung.
Wie vorhergehend beschrieben ist, haben Stellen, die dem Auslaß der ersten Kanäle 34p näher sind, höhere Konzentrationen von Kohlenmonoxid. Dies bedeutet, daß die Stellen, die dem Auslaß näher sind, höhere Grade an Vergiftung und dadurch geringere Temperaturen haben. Wenn der gasförmige Brennstoff in die normale Richtung strömt, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, erfaßt der erste Temperatursensor 61, der auf der Seite des ersten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10a angeordnet ist, einen höheren Wert für die erste Elektrodentemperatur T1, wohingegen der zweite Temperatursensor 63, der auf der Seite des zweiten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10b angeordnet ist, einen geringeren Wert für die zweite Elektrodentemperatur T2 erfaßt. Dies führt zu der bejahenden Antwort im Schritt S130.
Der Prozeß im Schritt S140 wendet unter solchen Bedingungen die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in die umgekehrte Richtung von dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b zu dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist. Diese Rückströmung führt den gasförmigen Brennstoff mit einer relativ geringen Konzentration an Kohlenmonoxid zu einer Stelle in der Umgebung des zweiten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10b, die vorhergehend durch Kohlenmonoxid vergiftet wurde. Die Vergiftung des Platinkatalysators durch Kohlenmonoxid hängt bedeutend von der Konzentration des Kohlenmonoxids ab. Die geringere Konzentration von Kohlenmonoxid bewirkt die Rückgängigmachung der Vergiftung des Elektrokatalysators und aktiviert die elektrochemischen Reaktionen in der Umgebung des zweiten Brenngas-Einlasses/- Auslasses 10b, wodurch die Temperatur in der Umgebung des zweiten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10b auf einen normalen Wert erhöht wird. Dies macht außerdem die übermäßige Konzentration des elektrischen Stroms an dem ersten Brenngas- Einlaß/Auslaß 10a rückgängig, wodurch die Temperatur in der Umgebung des ersten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10a auf einen normalen Wert gesenkt wird. Der im Schritt S140 ausgeführte Prozeß macht allmählich die Temperaturdifferenz TS zwischen der durch den zweiten Temperatursensor 63, der nahe an dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b angeordnet ist, erfaßten zweiten Elektrodentemperatur T2 und der ersten Elektrodentemperatur T1 rückgängig, die durch den ersten Temperatursensor 61 erfaßt wird, der nahe an dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a angeordnet ist.
Der festgelegte Wert TA, der im Schritt S130 zum Vergleich mit der Temperaturdifferenz TS als ein Kriterium für die Vergiftung benutzt worden ist, ist von jeder Brennstoffzelle 10 abhängig. Sogar im Normalbetrieb, der keine Vergiftung des Elektrokatalysator verursacht, kann unter den folgenden Bedingungen eine signifikante Temperaturdifferenz TS beobachtet werden: eine große Elektrodenfläche der Brennstoffzelle 10 oder eine große Temperaturdifferenz zwischen der Einlaßtemperatur des Kühlwassers der Brennstoffzelle 10 und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10. In allgemeinen Prozeduren werden die erste und die zweite Elektrodentemperatur T1 und T2 zuerst für ein kein Kohlenmonoxid enthaltendes Gas, das der Brennstoffzelle ZO zugeführt wird, und dann für ein einen gasförmigen Brennstoff erfaßt, der eine geringe Konzentration von Kohlenmonoxid enthält. Ein Kriterium für die Vergiftung des Elektrokatalysators wird auf der Basis dieser Daten von Temperaturdifferenzen zwischen T1 und T2 bestimmt. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Temperaturdifferenz von 3 bis 5ºC größer als die normale Temperaturdifferenz TS zwischen T1 und T2 als ein Kriterium für die Vergiftung des Elektrokatalysators genutzt.
Gemäß dem Ablaufplan in Fig. 5 schreitet das Programm, wenn die Antwort im Schritt S130 NEIN lautet, d. h. wenn die Temperaturdifferenz TS als nicht größer als der festgelegte Wert TA bestimmt wurde, zu Schritt S150 weiter, in welchem bestimmt wird, ob die Temperaturdifferenz TS kleiner als -TA, ein additivinverser oder negativer Wert des festgelegten Werts TA ist. Dies ist gleichbedeutend mit der Feststellung, ob eine Temperaturdifferenz -TS, die durch Subtrahieren der ersten Elektrodentemperatur T1 von der zweiten Elektrodentemperatur T2, d. h. ein negativer Wert der Temperaturdifferenz TS, größer als der festgelegte Wert TA ist.
Wenn die Antwort im Schritt S150 JA lautet, d. h., wenn festgestellt wird, daß der Negativwert -TS größer als der festgelegte Wert TA ist, rückt das Programm auf Schritt S160 vor, in welchem die CPU 72 Ventilöffnungssignale zu dem ersten Magnetventil 51 und dem vierten Magnetventil 54 überträgt, während sie Ventilschließsignale zu dem zweiten Magnetventil 52 und dem dritten Magnetventil 53 sendet, um das erste und vierte Magnetventil 51 und 54 zu öffnen und das zweite und dritte Magnetventil 52 und 53 zu schließen. Eine solche Steuerung gestattet es, daß der gasförmige Brennstoff in normaler Richtung in die Brennstoffzelle 10 strömt, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist.
Die bejahende Antwort ergibt sich im Schritt S150, wenn die durch den zweiten Temperatursensor 63 erfaßte zweite Elektrodentemperatur T2 um einen Wert, der größer als der festgelegte Wert TA ist, größer als die durch den ersten Temperatursensor 61 erfaßte erste Elektrodentemperatur T1 ist. Eine solche große Temperaturdifferenz wird beobachtet, wenn im normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 erneut die Vergiftung des Elektrokatalysators entsteht, nachdem die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs durch den Prozeß in den Schritten S130 und S140 zur Rückgängigmachung der Vergiftung des Elektrokatalysators einmal geändert worden ist, wenn die erste Elektrodentemperatur T1 um einen Wert, der größer als der festgelegte Wert TA ist, größer als die zweite Elektrodentemperatur T2 ist. Wenn der gasförmige Brennstoff in der umgekehrten Richtung strömt, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist, haben Stellen, die dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a näher sind, höhere Konzentrationen von Kohlenmonoxid, was zu einer Vergiftung des Elektrokatalysators führt. Die durch den ersten Temperatursensor 61, der auf der Seite des ersten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10a angeordnet ist, erfaßte erste Elektrodentemperatur T1 wird demgemäß geringer als die durch den zweiten Temperatursensor 63, der auf der Seite des zweiten Brenngas-Einlasses/ Auslasses 10b angeordnet ist, erfaßte zweite Elektrodentemperatur T2. Dies führt im Schritt S150 zu der bejahenden Antwort.
Der Prozeß im Schritt S160 wendet unter solchen Bedingungen die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in die normale Richtung von dem ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a zu dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist. Die Änderung der Strömung von der umgekehrten Richtung zu der normalen Richtung führt den gasförmigen Brennstoff mit einer relativ geringen Konzentration an Kohlenmonoxid zu einer Stelle in der Umgebung des ersten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10a, die vorhergehend durch Kohlenmonoxid vergiftet wurde. Die geringere Konzentration von Kohlenmonoxid bewirkt die Rückgängigmachung der Vergiftung des Elektrokatalysators und aktiviert die elektrochemischen Reaktionen in der Umgebung des ersten Brenngas- Einlasses/Auslasses 10a, wodurch die Temperatur in der Umgebung des ersten Brenngas-Einlasses/Auslasses 10a auf einen normalen Wert erhöht wird. Dies macht außerdem die übermäßige Konzentration des elektrischen Stroms an dem zweiten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10b rückgängig, wodurch die Temperatur in der Umgebung des zweiten Brenngas-Einlasses/- Auslasses 10b auf einen normalen Wert abgesenkt wird. Der im Schritt S160 ausgeführte Prozeß macht allmählich die Temperaturdifferenz TS zwischen der ersten Elektrodentemperatur T1 und der zweiten Elektrodentemperatur T2 rückgängig.
Nach dem Prozeß von Schritt S140 oder S160 zur Rückgängigmachung der Temperaturdifferenz rückt das Programm zu Schritt S170 vor, in welchem der weitere Ablauf um eine vorbestimmte Zeit verzögert wird, die für die gründliche Rückgängigmachung der Temperaturdifferenz TS ausreichend ist. Die Verzögerungszeit hängt von der Struktur jeder Brennstoffzelle 10, zum Beispiel der Länge und dem Durchmesser der Rohrleitung der Brennstoffzelle, den Positionen der Schaltventile, der Gasströmungsgeschwindigkeit und dem Gasdruck ab. Es ist folglich grundlegend wichtig, eine Zeit zu messen, die für die gründliche Rückgängigmachung der Elektrokatalysatorvergiftung für jede Brennstoffzelle erforderlich ist. Die Verzögerungszeit wird vorzugsweise auf das 1,2- bis 1,5-fache der Zeit eingestellt, die für die gründliche Rückgängigmachung erforderlich ist. Nach dem Prozeß im Schritt S170 rückt das Programm auf RETURN vor, um die Routine zu verlassen. Wenn die Antwort im Schritt S150 NEIN lautet, geht das Programm gleichfalls zu RETURN, um die Routine zu verlassen.
Das Brennstoffzellengeneratorsystem 1 des ersten Ausführungsbeispiels erfaßt die Temperaturen T1 und T2 an beiden Enden eines ausgewählten ersten Kanals 34p mit dem ersten und dem zweiten Temperatursensor 61 und 63 und prüft die Vergiftung des Elektrokatalysators an der Anode 32 auf der Basis der Temperaturdifferenz TS zwischen T1 und T2. Die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Anode steht in enger Beziehung zu der Vergiftung des Elektrokatalysators. Dieses System bestimmt demgemäß den Grad der Vergiftung der Elektrokatalysators mit hoher Genauigkeit.
Wenn eine Vergiftung des Elektrokatalysators beobachtet wird, steuert das Brennstoffzellengeneratorsystem 1 die Ein- und Ausschaltung des ersten bis vierten Magnetventils 51 bis 54, um die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs zu ändern, der durch die entlang der Anode 32 angeordneten ersten Kanäle 34p strömt. Die Umkehrung der Strömungsrichtung ändert den Auslaß des reaktiven Gases, der gegenüber dem Einlaß von reaktivem Gas einen höheren Grad von Vergiftung hat. Dies gestattet, daß die Stellen mit höheren Graden der Vergiftung dem reaktiven Gas mit einer relativ geringen Konzentration an Kohlenmonoxid ausgesetzt werden, um die vorhandene Vergiftung rückgängig zu machen und eine weitere Vergiftung zu verhindern. Dieses System macht auf deutliche Weise ohne Verzögerung die Vergiftung des Elektrokatalysators in der Brennstoffzelle 10 rückgängig.
In einer tatsächlichen Struktur des ersten Ausführungsbeispiels sind das erste Magnetventil 51 und das zweite Magnetventil 52 in der nächstmöglichen Position zu der ersten Verbindungsstelle 44a angeordnet, während sich das dritte Magnetventil 53 und das vierte Magnetventil 54 in der nächstmöglichen Position zu der zweiten Verbindungsstelle 45a befinden. Die geringe Menge an Restgas zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsstelle 44a und 45a und dem ersten bis vierten Magnetventil 51 bis 54 reduziert die Menge an Restgas, die im Prozeß der Umkehr der Strömungsrichtung in die Brennstoffzelle 10 strömt. Dies schützt die Brennstoffzelle 10 auf wirksame Weise vor nachteiligen Einwirkungen des Restgases.
Obgleich das erste Ausführungsbeispiel die vier Magnetventile 51 bis 54 aufweist, können desweiteren vier andere Magnetventile hinzugefügt werden. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, ist ein fünftes Magnetventil 55 an dem ersten Zweigrohr 41 in einer Position nahe dem Hauptrohr 40 und ein sechstes Magnetventil 56 an dem ersten Zweigrohr 41 in einer Position nahe dem kombinierten Rohr 43 angeordnet. Ein siebtes Magnetventil 57 ist an dem zweiten Zweigrohr 42 in einer Position nahe dem Hauptrohr 40 und ein achtes Magnetventil 58 an dem zweiten Zweigrohr 42 in einer Position nahe dem kombinierten Rohr 43 angeordnet. Die Gruppe des ersten Magnetventils und des fünften Magnetventils 55, des zweiten Magnetventils 52 und des sechsten Magnetventils 56, des dritten Magnetventils 53 und des siebten Magnetventils 57 und des vierten Magnetventils und des achten Magnetventils 58 werden jeweils gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. Diese Struktur beseitigt im wesentlichen das Restgas in dem ersten Zweigrohr 41 und dem zweiten Zweigrohr 42, wodurch folglich die Brennstoffzelle 10 noch wirksamer vor nachteiligen Einwirkungen des Restgases geschützt wird.
Anstelle der Struktur des ersten Ausführungsbeispiels mit den vier Magnetventilen 51 bis 54 ändert eine alternative Struktur die Strömungsrichtung durch die Betätigung von Dreiwegeventilen oder Dreiöffnungsventilen, die an der ersten Verbindungsstelle 44a des ersten Zweigrohrs 41 und der zweiten Verbindungsstelle 45a des zweiten Zweigrohrs 42 angeordnet sind.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Reaktivität des Elektrokatalysators gemäß der ersten und der zweiten Elektrodentemperatur T1 und T2 geprüft, die durch den ersten und den zweiten Temperatursensor 61 und 63 erfaßt werden. In einer modifizierten Struktur wird die Reaktivität des Elektrokatalysators mit zwei Elektrometern zur Erfassung elektrischer Potentiale auf der Oberfläche der Anode 32 geprüft. Das erste Elektrometer ist in der Position der ersten Temperatursensors 61 und das zweite Elektrometer in der Position des zweiten Temperatursensors 63 angeordnet. Eine Differenz zwischen den elektrischen Potentialen E1 und E2, die durch das erste und das zweite Elektrometer erfaßt wird, wird als ein Kriterium für die Vergiftung des Elektrokatalysators herangezogen. Die Potentialdifferenz auf der Oberfläche der Anode 32 entspricht der Differenz in der Reaktivität des Elektrokatalysators zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des gasförmigen Brennstoffs an der Elektrode. Wie das erste Ausführungsbeispiel bestimmt diese modifizierte Struktur den Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators mit hoher Genauigkeit.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise ein Brennstoffzellengeneratorsystem 200 als ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 200 hat eine ähnliche Struktur wie das erste Ausführungsbeispiel, außer daß ein erster und ein zweiter Strömungssensor 201 und 203 an dem ersten Verbindungsrohr 44 und an dem zweiten Verbindungsrohr 45 angeordnet sind, um eine Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs zu der Brennstoffzelle 10 zu erfassen, und ein Strommesser 205 angeordnet ist, der mit der Brennstoffzelle 10 in Verbindung steht, um einen Ausgangsstrom aus der Brennstoffzelle 10 zu erfassen. Der erste und der zweite Strömungssensor 201 und 203 und der Strommesser 205 sind mit der elektronischen Steuereinheit 70 elektrisch verbunden. Die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 mißt die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff, der die Anode 32 erreicht, und bestimmt, ob die Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff des ersten Ausführungsbeispiels auszuführen oder zu verhindern ist.
Fig. 8 ist ein Ablaufplan, der eine Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff zeigt, die bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 führt in festgelegten Zeitabständen wiederholt die Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff aus. Wenn das Programm in die Routine eintritt, liest die CPU 72 im Schritt S210 einen Ausgangsstrom I der Brennstoffzelle 10 von dem Strommeter ab. Die CPU 72 berechnet nachfolgend aus dem Ausgangsstrom I im Schritt S220 eine Strömung des gasförmigen Brennstoffs MA, die theoretisch für die Brennstoffzelle 10 erforderlich ist. Das Programm rückt dann auf Schritt S230 vor, in welchem festgestellt wird, ob der gasförmige Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 in die in Fig. 4(a) gezeigte normale Richtung oder in die in Fig. 4(b) gezeigte umgekehrte Richtung strömt.
Wenn im Schritt S230 festgestellt wird, daß die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in normaler Richtung erfolgt, rückt das Programm auf Schritt S240 vor, in welchem die CPU 72 von dem ersten Strömungssensor 201 eine tatsächliche Zufuhr an gasförmigem Brennstoff MB zu der Brennstoffzelle 10 über den ersten Brenngas-Einlaß/Auslaß 10a einliest. Wenn im Gegensatz dazu im Schritt S230 festgestellt wird, daß die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in umgekehrter Richtung erfolgt, rückt das Programm auf Schritt S250 vor, in welchem die CPU 72 von dem zweiten Strömungssensor 203 eine tatsächliche Zufuhr an gasförmigem Brennstoff MB zu der Brennstoffzelle 10 über den zweiten Brenngas-Einlaß/- Auslaß 10b einliest. Nach dem Prozeß gemäß Schritt S240 oder S250 rückt das Programm auf Schritt S260 vor, in welchem die tatsächliche Zufuhr an gasförmigen Brennstoff MB, die entweder im Schritt S240 oder im Schritt S250 eingelesen wird, mit der im Schritt S220 berechneten erforderlichen Strömung an gasförmigen Brennstoff MA verglichen wird.
Wenn im Schritt S260 festgestellt wird, daß die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB weniger als die erforderliche Strömung MA an gasförmigem Brennstoff beträgt, rückt das Programm auf Schritt s270 vor, in welchem die Strömung des der Brennstoffzelle 10 zugeführten gasförmigen Brennstoffs gesteigert wird. Der Prozeß der Steigerung der Zufuhr von gasförmigen Brennstoff wird durch ein bekanntes Verfahren zur Steuerung des Reformers 16, des Methanolbehälters 12 und des Wasserbehälters 14 ausgeführt, welches hier nicht beschrieben wird. Nach dem Prozeß im Schritt S270 rückt das Programm auf RETURN vor, um die Routine zu verlassen.
Wenn im Schritt S260 festgestellt wird, daß die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB nicht weniger als die erforderliche Strömung MA an gasförmigem Brennstoff beträgt, ist im Gegensatz dazu die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff zu der Brennstoffzelle 10 ausreichend, und es ist keine Fehlermöglichkeit in der Bestimmung des Grads der Elektrokatalysatorvergiftung vorhanden. Das Programm geht demgemäß zu Schritt S110 in dem Ablaufplan gemäß Fig. 5 und führt vor dem Verlassen der Routine den Prozeß der Schritte S110 bis S170 des ersten Ausführungsbeispiels aus.
Das Brennstoffzellengeneratorsystem 200 des zweiten Ausführungsbeispiels führt weder eine Bestimmung des Grads der Elektrokatalysatorvergiftung auf der Basis der Daten des ersten und zweiten Temperatursensors 61 und 63 aus, noch ergreift es irgendeine Gegenmaßnahme gegen die Vergiftung, wenn die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB zu der Brennstoffzelle 10 nicht ausreichend ist und geringer als die erforderliche Strömung MA ist. Die Differenz in der Reaktivität des Elektrokatalysators an der Anode 32 hängt von dem Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators ab, wenn der Oberfläche der Anode 32 eine ausreichende Menge an gasförmigem Brennstoff zugeführt wird. Eine unzureichende Zufuhr von gasförmigem Brennstoff aufgrund plötzlicher Belastung verschlechtert die Reaktivität des Elektrokatalysators, welcher nicht signifikant vergiftet ist. Wenn die Zufuhr von gasförmigem Brennstoff unzureichend ist, gibt es eine Fehlermöglichkeit in der Bestimmung des Grads der Elektrokatalysatorvergiftung. Die Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bestimmt unter der Bedingung der unzureichenden Zufuhr von gasförmigem Brennstoff den Grad der Elektrokatalysatorvergiftung nicht, wodurch die Genauigkeit der Bestimmung des Grads der Vergiftung gesteigert wird und auf effiziente Weise die geeignete Gegenmaßnahme gegen die Elektrokatalysatorvergiftung ergriffen wird.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB zu der Brennstoffzelle 10 durch selektive Nutzung der zwei Strömungssensoren 201 und 203 erfaßt, die jeweils in dem ersten Verbindungsrohr 44 und dem zweiten Verbindungsrohr 45 auf beiden Seiten der ersten Kanäle 34p angeordnet sind. Gemäß einer alternativen Struktur wird die tatsächliche Zufuhr des gasförmigen Brennstoffs MB zu der Brennstoffzelle mit einem Strömungssensor erfaßt, der direkt hinter dem Reformer 16 in dem Hauptrohr 40 angeordnet ist. Bei einer anderen Struktur mit einer Massendurchströmungs-Steuereinrichtung, die zum Zweck der Strömungssteuerung in dem Hauptrohr 40 angeordnet ist, wie die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB gemäß einem Steuersignal zu der Massendurchströmungs- Steuereinrichtung bestimmt. Bei noch einer anderen Struktur wird eine Entwicklung von Wasserstoff oder die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB gemäß der Zufuhr von Methanol und Wasser zu dem Reformer 16 und der Reformierungstemperatur des Elektrokatalysators bestimmt, der im Reformer 16 bearbeitet wird.
Die Struktur gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bestimmt nicht den Grad der Elektrokatalysatorvergiftung, wenn die tatsächliche Zufuhr von gasförmigem Brennstoff MB zu der Brennstoffzelle 10 geringer als die erforderliche Strömung MA ist. Eine modifizierte Struktur berechnet eine Abweichung ΔM der tatsächlichen Zufuhr an gasförmigem Brennstoff MB von der erforderlichen Strömung MA und variiert den festgelegten Wert TA, der in den Schritten S130 und S150 (siehe Fig. 5) als das Kriterium für die Elektrokatalysatorvergiftung genutzt wird, gemäß der Abweichung ΔM. Diese modifizierte Struktur steigert ferner die Genauigkeit der Bestimmung des Grades der Elektrokatalysatorvergiftung.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise ein Brennstoffzellengeneratorsystem 300 als ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht.
Das Brennstoffzellengeneratorsystem 300 hat eine Struktur ähnlich der des ersten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, daß eine Reformereinheit 301, eine Verschiebungsreaktionseinheit 302 und eine Partialoxidationseinheit 303, die den Reformer 16 bilden, elektrisch mit der elektronischen Steuereinheit 70 verbunden sind. Die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 steuert die Reformereinheit 301, die Verschiebungsreaktionseinheit 302 und die Partialoxidationseinheit 303, um die Qualität von wasserstoffreichem Gas zu variieren, das als der gasförmige Brennstoff zugeführt wird.
Fig. 10 ist ein Ablaufplan, der eine durch die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 in dem dritten Ausführungsbeispiel ausgeführte Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff zeigt. Die Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff wird in festgelegten Zeitabständen wiederholt ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, liest die CPU 72 von dem ersten Temperatursensor 61 und von dem zweiten Temperatursensor 63 eine erste Elektrodentemperatur T1 und eine zweite Elektrodentemperatur T2 ab und berechnet auf die gleiche Weise wie in den Schritten S110 und S120 des ersten Ausführungsbeispiels in den Schritten S310 und S320 eine Temperaturdifferenz TS zwischen T1 und T2.
Das Programm geht dann zu Schritt S322 über, in welchem festgestellt wird, ob der Absolutwert der im Schritt S320 berechneten Temperaturdifferenz TS geringer als ein festgelegter erster Wert TA und größer als ein festgelegter zweiter Wert TB (> 0) ist. Der festgelegte erste Wert TA ist identisch mit den festgelegten Wert TA, der im Schritt S130 in dem ersten Ausführungsbeispiel angewandt wird und als ein Kriterium für die Elektrokatalysatorvergiftung genutzt wird. Der festgelegte zweite Wert TB ist kleiner als der festgelegte erste Wert TA und wird als ein Kriterium für einen Hinweis auf die Elektrokatalysatorvergiftung, d. h. eine Vorstufe der Elektrokatalysatorvergiftung oder eine leichte Elektrokatalysatorvergiftung genutzt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der festgelegte erste Wert TA 3 bis 5ºC wie im ersten Ausführungsbeispiel und der festgelegte zweite Wert TB ist 2 bis 3ºC.
Wenn die Antwort im Schritt S322 JA lautet, rückt das Programm auf den Schritt S324 vor, in welchem die CPU 72 ein Steuersignal zu der Partialoxidierungseinheit 303 des Reformers 16 sendet, um die in die Partialoxidierungseinheit 303 zugeführte Luftströmung zu verstärken. Die Partialoxidierungseinheit 303 wird bei Temperaturen von 100 bis 200ºC betrieben, und die Verstärkung der dem Reformergas zugeführten Luftströmung beschleunigt die Reaktion von in dem Reformergas enthaltenden oxidierendem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.
Der Absolutwert der Temperaturdifferenz TS, der größer als TB und geringer als TA ist, repräsentiert einen Beginn der Vergiftung des Elektrokatalysators an der Anode 32 der Brennstoffzelle 10. Eine Verstärkung der der Partialoxidierungseinheit 303 des Reformers zugeführten Luftströmung beschleunigt die Reaktion von in dem Reformergas enthaltenden oxidierendem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, wodurch die Konzentration von Kohlenmonoxid herabgesetzt wird, das in dem Reformergas enthalten ist, das von der Partialoxidierungseinheit 303 zugeführt wird. Das Reformergas mit einer relativ geringen Konzentration an Kohlenmonoxid, das als der gasförmige Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, macht auf wirksame Weise einen Hinweis auf Elektrokatalysatorvergiftung rückgängig.
Wenn die Antwort im Schritt S322 NEIN lautet, d. h., wenn der Absolutwert der Temperaturdifferenz TS nicht größer als TB oder nicht geringer als TA ist, rückt das Programm auf Schritt S330 vor. Der gemäß den Schritten S330 bis S370 ausgeführte Prozeß ist im wesentlichen äquivalent dem in den Schritten S130 bis S170 in dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführten Prozeß. Wenn im Schritt S330 festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz TS größer als der festgelegte erste Wert TA ist, geht das Programm zu Schritt S340, in welchem die Strömung des gasförmigen Brennstoff s in der Brennstoffzelle 10 in die umgekehrte Richtung geändert wird, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist. Wenn im Schritt S350 festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz TS kleiner als ein additivinverser oder negativer Wert des festgelegten ersten Werts TA ist, geht das Programm andererseits zu Schritt S360, in welchem die Strömung von gasförmigem Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 in die normale Richtung umgeändert wird, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist. Nach dem Prozeß gemäß Schritt S340 oder S360 wird die weitere Bearbeitung im Schritt S370 um eine festgelegte Zeit verzögert. Wenn die Antwort in allen Schritten S322, S330 und S350 negativ ist, d. h., wenn die Temperaturdifferenz TS zwischen -TB und TB liegt, sichert das Programm den Zustand, in welchem keine Elektrokatalysatorvergiftung vorliegt, und geht direkt zu RETURN, um die Routine zu verlassen.
Wenn der Hinweis für die Elektrokatalysatorvergiftung im Schritt S324 auf effektive Weise rückgängig gemacht wird, geht das Programm außerdem zum Schritt S370 für den Verzögerungsprozeß, um die Verbesserung zu vervollständigen, und dann zu RETURN, um die Routine zu verlassen.
Das Brennstoffzellengeneratorsystem 1 des dritten Ausführungsbeispiels erhöht die in die Partialoxidierungseinheit 303 des Reformers 16 zugeführte Luftströmung unter der Bedingung eines geringen Grades der Elektrokatalysatorvergiftung an der Anode 32. Obgleich daraus eine zeitweilige Herabsetzung der Reformierungseffizienz in dem Reformer 16, gestattet diese Struktur die Zuführung des gasförmigen Brennstoffs mit einer relativ geringen Konzentration von Kohlenmonoxid in die Brennstoffzelle 10, um auf wirksame Weise den geringen Grad an Elektrokatalysatorvergiftung rückgängig zu machen. Wenn der Grad der Elektrokatalysatorvergiftung relativ groß ist, bewirkt die Umkehrung der Strömungsrichtung der gasförmigen Strömung die Rückgängigmachung der Elektrokatalysatorvergiftung wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Struktur des zweiten Ausführungsbeispiels macht folglich auf effektive und effiziente Weise die Vergiftung des Elektrokatalysators entsprechend deren Grad rückgängig.
Eine Verstärkung der in das Reformierungsgas in der Partialoxidierungseinheit 303 zugeführten Luftströmung beschleunigt die Oxidation, wie im folgenden angegeben ist:
2CO + O&sub2; → 2CO&sub2;
2H&sub2; + O&sub2; → 2H&sub2;O
Die Oxidation setzt einen Partialdruck des in dem Reformergas enthaltenen Wasserstoffs entsprechend herab, und reduziert dadurch geringfügig die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10. Gemäß einer zu bevorzugenden Anwendung des dritten Ausführungsbeispiels wird die in die Partialoxidierungseinheit 303 zugeführte Luftströmung zu ihrem feststehenden Pegel zurückgeführt, wenn die Temperaturdifferenz TS zwischen der ersten Elektrodentemperatur T1 und der zweiten Elektrodentemperatur T2 nicht größer als der festgelegte zweite Wert TB wird.
Die Struktur des dritten Ausführungsbeispiels setzt die Konzentration von in dem Reformergas enthaltenem Kohlenmonoxid durch Steuerung der Luftströmung herab, die in die Partialoxidierungseinheit 303 zugeführt wird. Eine alternative Struktur steuert die Reaktionstemperatur in der Reformereinheit 301 oder die in der Verschiebungsreaktionseinheit 302, um die Konzentration von in dem Reformergas enthaltenem Kohlenmonoxid mit einem gewissen Abfall in der Reformierungseffizienz herabzusetzen.
Eine andere mögliche Struktur für die Rückgängigmachung der Elektrokatalysatorvergiftung ohne Abfall in der Reformierungseffizienz des Reformers 16 steigert zeitweilig den Zufuhrdruck des in die Brennstoffzelle 10 zugeführten gasförmigen Brennstoffs. Diese Struktur erhöht vorübergehend den Gasdruck über den Idealpegel hinaus, um die Anti-CO- Vergiftungsfähigkeit des Elektrokatalysators mit einem zeitweiligen Abfall in der Effizienz der Brennstoffzelle 10 zu steigern. Dies macht auf wirksame Weise einen geringen Grad der Elektrokatalysatorvergiftung rückgängig und verhindert eine weitere Vergiftung.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Brennstoffzelle 10 und umgebende Elemente in einem Brennstoffzellengeneratorsystem 400 als ein viertes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 400 hat eine ähnliche Struktur wie das erste Ausführungsbeispiel, außer daß ferner ein erstes Spülrohr 401 mit der ersten Verbindungsstelle 44a des ersten Zweigrohrs 41 in Verbindung steht, ferner ein zweites Spülrohr 403 mit der zweiten Verbindungsstelle 45a des zweiten Zweigrohrs 42 in Verbindung steht, und ein erstes und ein zweites zusätzliches Magnetventil 455 und 456 an dem ersten Spülrohr 401 und dem zweiten Spülrohr 403 angeordnet sind.
Das erste Spülrohr 401 bildet eine Zufuhrleitung für ein Spülgas, wohingegen das zweite Spülrohr 403 eine Ausströmungsleitung für das Spülgas ist. Das hierin genutzte Gas ist Stickstoff oder ein Inertgas wie Argon. Die elektronische Steuereinheit 70 (nicht gezeigt), welche die gleiche Struktur wie im ersten Ausführungsbeispiel hat, füllt durch Öffnen des ersten und des zweiten zusätzlichen Magnetventils 455 und 456 nach dem Schließen des ersten und des zweiten Magnetventils 51 und 52 in dem ersten Zweigrohr 41 und des dritten und des Vierten Magnetventils 53 und 54 in dem zweiten Zweigrohr 42 die Brennstoffzelle 10 mit Spülgas anstelle von gasförmigem Brennstoff. Dieser Prozeß stoppt die Aktionen der Brennstoffzelle 10 und gibt das in der Brennstoffzelle 10 verbleibende Wasserstoffgas ab, um die Brennstoffzelle 10 zu sichern.
Fig. 12 ist ein Ablaufplan, der eine Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff zeigt, die bei dem vierten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. Diese Routine enthält den Spülprozeß zum Füllen der Brennstoffzelle 10 mit einem Spülgas. Die Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff wird in festgelegten Zeitabständen wiederholt durch die CPU 72 der elektronischen Steuereinheit 70 ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, liest die CPU 72 von dem ersten Temperatursensor 61 und von dem zweiten Temperatursensor 63 eine erste Elektrodentemperatur T1 und eine zweite Elektrodentemperatur T2 ab und berechnet auf die gleiche Weise wie in den Schritten S110 und S120 des ersten Ausführungsbeispiels in den Schritten S410 und S420 eine Temperaturdifferenz TS zwischen T1 und T2.
Das Programm rückt dann auf Schritt S422 vor, in welchem der Absolutwert der im Schritt S410 berechneten Temperaturdifferenz TS mit einem festgelegten dritten Wert TC (> Q) verglichen wird. Der festgelegte dritte Wert TC wird als ein Kriterium für einen signifikant hohen Grad der Elektrokatalysatorvergiftung genutzt, welcher die Fortsetzung der Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle 10 erschwert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der festgelegte dritte Wert TC 5 bis 10ºC.
Wenn die Antwort im Schritt S422 JA lautet, rückt das Programm auf den Schritt S424 vor, in welchem die CPU 72 eine Zufuhr von Elektrizität zu einer Last (nicht gezeigt) von der Brennstoffzelle 10 zu einer sekundären Zelle wie zum Beispiel einem Bleiakkumulator (nicht gezeigt) umschaltet, der parallel mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, und die Last auf sichere Weise deaktiviert. Der Spülprozeß wird nachfolgend im Schritt S426 ausgeführt, um auf sichere Weise die Aktionen der Brennstoffzelle 10 zu stoppen. Der Spülprozeß öffnet nach dem Schließen des ersten und des zweiten Magnetventils 51 und 52 in der ersten Zweigleitung 41 und des dritten und des vierten Magnetventils 53 und 54 in der zweiten Zweigleitung 42 das erste zusätzliche Magnetventil 455 in der ersten Spülleitung 401 und das zweite zusätzliche Magnetventil 456 in der zweiten Spülleitung 403. Dieser Spülprozeß gestattet, daß die Brennstoffzelle 10 mit dem Spülgas anstelle dem gasförmigen Brennstoff gefüllt wird. Dies stoppt die Aktionen der Brennstoffzelle 10 und ersetzt das in der Brennstoffzelle 10 verbleibende Wasserstoffgas durch Inertgas, um die Brennstoffzelle 10 zu sichern. Das Programm rückt dann auf STOP vor, um die Routine zu verlassen.
Wenn die Antwort im Schritt S422 negativ ist, d. h., wenn der Absolutwert der Temperaturdifferenz TS nicht größer als TC ist, rückt das Programm auf Schritt S430 vor. Der gemäß den Schritten S430 bis S470 ausgeführte Prozeß ist im wesentlichen äquivalent dem in den Schritten S130 bis S170 in dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführten Prozeß. Wenn im Schritt S430 festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz TS größer als der festgelegte erste Wert TA ist, geht das Programm zu Schritt S440, in welchem die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in der Brennstoffzelle 10 in die umgekehrte Richtung geändert wird, wie in Fig. 4(b) gezeigt ist. Wenn im Schritt S450 festgestellt wird, daß die Temperaturdifferenz TS kleiner als ein additivinverser oder negativer Wert des festgelegten ersten Werts TA ist, geht das Programm andererseits zu Schritt S460, in welchem die Strömung von gasförmigem Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 in die normale Richtung umgeändert wird, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist. Nach dem Prozeß gemäß Schritt S440 oder S460 wird die weitere Bearbeitung im Schritt S470 um eine festgelegte Zeit verzögert. Das Programm geht dann zu RETURN, um die Routine zu verlassen.
Wenn die Temperaturdifferenz TS an der Oberfläche der Anode 32 selbst dann, nachdem die Strömung des gasförmigen Brennstoffs in der Brennstoffzelle 10 in die umgekehrte Richtung geändert worden ist, weiter ansteigt und den festgelegten dritten Wert TC überschreitet, stellt das Brennstoffzellengeneratorsystem 400 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel fest, daß der Elektrokatalysator an der Anode 32 signifikant vergiftet ist und daß die weitere Erzeugung von Elektrizität aus der Brennstoffzelle schwierig ist, und ersetzt den gasförmigen Brennstoff in der Brennstoffzelle 10 durch Spülgas, um auf sichere Weise die Tätigkeit der Brennstoffzelle 10 zu stoppen. Diese Struktur deaktiviert schnell die Brennstoffzelle 10 mit signifikanter Elektrokatalysatorvergiftung und schützt auf wirksame Weise die Brennstoffzelle 10 sowie die Last, die mit einem umgebenden Element oder der Brennstoffzelle 10 in Verbindung steht.
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 500 als ein fünftes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 500 enthält ein System A für gasförmigen Brennstoff, das eine Struktur hat, die der des ersten Ausführungsbeispiels identisch ist, und ein System B für oxidierendes Gas, das eine Struktur ähnlich dem System A für gasförmigen Brennstoff hat. Das System A für gasförmigen Brennstoff für das Brennstoffzellengeneratorsystem 500 enthält die Brennstoffzelle 10, den Reformer 16, die Zufuhrleitung 18 für gasförmigen Brennstoff und die Gasausströmungsleitung 20 wie das erste Ausführungsbeispiel, wohingegen das System B für oxidierendes Gas einen Behälter 516 zur Speicherung eines oxidierenden Gases (in dem Ausführungsbeispiel Luft), eine Zufuhrleitung 518 für oxidierendes Gas zur Zuführung des oxidierenden Gases aus dem Behälter 516 in die zweiten Kanäle 35p (gleichfalls in Fig. 2 und 3 gezeigt) auf der Seite der Katode in die Brennstoffzelle 10 und eine Restgasausströmungsleitung 520 zur Ausströmung von restlichem oxidierenden Gas enthält, das in die zweiten Kanäle 35p zugeführt wurde.
Die Zufuhrleitung 518 für oxidierendes Gas und die Restgas- Ausströmungsleitung 520 haben zwei Zweigrohre 541 und 542 wie die Zufuhrleitung 18 für gasförmigen Brennstoff und die Gasausströmungsleitung 20. Das fünfte bis achte Magnetventu 551 bis 554 sind in den Zweigrohren 541 und 542 angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit 570 eines Steuersystems 522 schaltet dieses fünfte bis achte Magnetventil 551 bis 554 ein und aus, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases umzuschalten, das durch die zweiten Kanäle 35p auf der Seite der Katode in die Brennstoffzelle 10 strömt. Da die zweiten Kanäle 35p für oxidierendes Gas parallel zu den ersten Kanälen 34p für gasförmigen Brennstoff angeordnet sind, wie mit Hilfe der Zweipunkt-Strich-Linie in Fig. 13 (außerdem in Fig. 2 und 3 des ersten Ausführungsbeispiels deutlich) gezeigt ist, wird die Strömung von oxidierendem Gas parallel zu der Strömung von gasförmigem Brennstoff.
Die elektronische Steuereinheit 570 des Steuersystems 522 schaltet das fünfte bis achte Magnetventil 551 bis 554 in dem System B für oxidierendes Gas synchron mit der Steuerung des ersten bis vierten Magnetventils 51 bis 54 in dem System A für gasförmigen Brennstoff ein und aus. Dies resultiert in der Änderung der Strömungsrichtung des oxidierenden Gases gleichzeitig mit der Umschaltung der Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases identisch zu der des gasförmigen Brennstoffs zu gestalten. Im Schritt S140 in der Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff des ersten Ausführungsbeispiels, die in dem Ablaufplan gemäß Fig. 5 gezeigt ist, schließt die elektronische Steuereinheit 570 das fünfte und das achte Magnetventil 551 und 554 sowie das erste und das vierte Magnetventil 51 und 54, während sie das sechste und das siebte Magnetventil 552 und 553 sowie das zweite und das dritte Magnetventil 52 und 53 öffnet. Im Schritt S160 öffnet die elektronische Steuereinheit 570 das fünfte und das achte Magnetventil 551 und 554 sowie das erste und das vierte Magnetventil 51 und 54, während sie das sechste und das siebte Magnetventil 552 und 553 sowie das zweite und das dritte Magnetventil 52 und 53 schließt.
Wenn die elektronische Steuereinheit 570 die vorhandene Vergiftung des Elektrokatalysators an der Anode 32 erfaßt, ändert das Brennstoffzellengeneratorsystem 500 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs durch die ersten Kanäle 34p auf der Anodenseite, um zu ermöglichen, daß eine Stelle mit einer gewissen Elektrokatalysatorvergiftung dem gasförmigen Brennstoff mit einer relativ geringen Konzentration von Kohlenmonoxid ausgesetzt wird. Die Struktur des fünften Ausführungsbeispiels ändert ferner die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases synchron mit der Änderung der Strömungsrichtung von gasförmigem Brennstoff, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases identisch zu der des gasförmigen Brennstoffs zu gestalten, wodurch eine Stelle mit einem Hinweis auf Elektrokatalysatorvergiftung dem oxidierenden Gas mit einer relativ hohen Konzentration an Sauerstoff ausgesetzt wird. Diese Struktur beschleunigt ferner die Reaktion der Anti-CO-Vergiftung mit dem oxidierenden Gas, das eine relativ hohe Konzentration an Sauerstoff enthält, und macht die Elektrokatalysatorvergiftung dadurch schneller und effektiver rückgängig. Die Struktur gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel macht die Elektrokatalysatorvergiftung in der Brennstoffzelle 10 auf wirksame Weise ohne Verzögerung rückgängig.
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 600 als ein sechstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 600 enthält ein System A für gasförmigen Brennstoff, das eine Struktur hat, die dem des ersten Ausführungsbeispiels identisch ist, und ein Kühlwassersystem C. Das Kühlwassersystem C enthält eine Vielzahl von Kühlwasserkanälen 601, die in der Brennstoffzelle 10 angeordnet sind, und eine Zirkulationsleitung 603, die gestattet, daß das Kühlwasser in den Kühlwasserkanälen 601 zirkuliert. Die Vielzahl von Kühlwasserkanälen 601 ist auf jeder Kühlplatte 610 ausgebildet, die für jede festgelegte Anzahl von Zellenelementen angeordnet sind, die in der Brennstoffzelle 10 enthalten ist, und ist parallel zu den ersten Kanälen 34p für gasförmigen Brennstoff angeordnet. Die ersten Separatoren 34, welche die ersten Kanäle 34p für gasförmigen Brennstoff bilden und die Kühlplatten 610, werden aufeinander gelegt, um auf den gleichen senkrechten Linien positioniert zu werden, wie durch die Zweipunkt-Strich-Linie in Fig. 14 gezeigt ist.
Die Zirkulationsleitung 603 ist mit einer Kühlwasserpumpe 646, einem Radiator 647 und einem Drosselventil 649 versehen. Das Umlaufvolumen und die Temperatur des Kühlwassers werden durch Regulieren des Ausstoßvolumens der Kühlwasserpumpe 646 und der Drehgeschwindigkeit eines Radiatorgebläses 648 gesteuert, das dem Radiator 647 zugewandt ist. Die Zirkulationsleitung 603 zweigt zu einer ersten Zweigleitung 641 und einer zweiten Zweigleitung 642 in der Nähe der Kühlplatte 610 ab und steht über eine erste Verbindungsleitung 644 und eine zweite Verbindungsleitung 645, die sich jeweils von der ersten Zweigleitung 641 und der zweiten Zweigleitung 642 erstrecken, mit beiden Enden jedes Kühlwasserkanals 601 in der Kühlplatte 610 in Verbindung. Das fünfte bis achte Magnetventil 651 bis 654 sind in der ersten und der zweiten Zweigleitung 641 und 642 angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit 670 eines Steuersystems 622 schaltet dieses fünfte bis achte Magnetventil 651 bis 654 an uns aus, um die Strömungsrichtung des Kühlwassers umzuschalten, das durch die Kühlwasserkanäle 601 läuft. Da die Kühlwasserkanäle 601 parallel zu den ersten Kanälen 34p für gasförmigen Brennstoff angeordnet sind, wird die Strömung des Kühlwassers parallel zu der Strömung des gasförmigen Brennstoffs.
Die elektronische Steuereinheit 670 des Steuersystems 622 schaltet das fünfte bis achte Magnetventil 651 bis 654 in dem Kühlwassersystem C synchron zur Steuerung des ersten bis vierten Magnetventils 51 bis 54 in dem System A für gasförmigen Brennstoff ein und aus. Dies resultiert in der Änderung der Strömungsrichtung des Kühlwassers synchron zur Umschaltung der Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs, um die Strömungsrichtung des Kühlwassers umgekehrt zu der des gasförmigen Brennstoffs zu gestalten. Im Schritt S140 der in dem Ablaufplan gemäß Fig. 5 gezeigten Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel öffnet die elektronische Steuereinheit 670 das fünfte und das achte Magnetventil 651 und 654 sowie das zweite und das dritte Magnetventil, während sie das sechste und das siebte Magnetventil 652 und 653 sowie das erste und das vierte Magnetventil 51 und 54 schließt. Im Schritt S160 schließt die elektronische Steuereinheit 670 das fünfte und das achte Magnetventil 651 und 654 sowie das zweite und das dritte Magnetventil, während sie das sechste und das siebte Magnetventil 652 und 653 sowie das erste und das vierte Magnetventil 51 und 54 öffnet.
Wenn die elektronische Steuereinheit 670 die vorhandene Vergiftung des Elektrokatalysators an der Anode 32 erfaßt, ändert das Brennstoffzellengeneratorsystem 600 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs durch die ersten Kanäle 34p auf der Anodenseite, um zu ermöglichen, daß eine Stelle mit einer gewissen Elektrokatalysatorvergiftung dem gasförmigen Brennstoff mit einer relativ geringen Konzentration von Kohlenmonoxid ausgesetzt wird. Die Struktur des sechsten Ausführungsbeispiels ändert desweiteren die Strömungsrichtung des Kühlwassers synchron mit der Änderung der Strömungsrichtung des Kühlwassers, um die Strömungsrichtung des Kühlwassers umgekehrt zu der des gasförmigen Brennstoffs zu gestalten. Dies ermöglicht, daß das Kühlwasser von einer Stelle mit weniger Elektrokatalysatorvergiftung zu einer Stelle mit größerer Elektrokatalysatorvergiftung strömt, wodurch die Stelle mit größerer Elektrokatalysatorvergiftung dem Kühlwasser ausgesetzt wird, das aus den Kühlwasserkanälen 601 strömt. Das Kühlwasser hat an Positionen, die näher an dem Einlaß der Kühlwasserkanäle 601 liegen, niedrigere Temperaturen. Die Temperatur des Kühlwassers steigt mit Hilfe der Wärme, die durch die Elektrodenreaktionen in der Brennstoffzelle 10 erzeugt werden und erreicht das Maximum am Auslaß der Kühlwasserkanäle 601. Dies bedeutet, daß das Kühlwasser in Positionen, die näher an dem Auslaß der Kühlwasserkanäle 601 liegen, höhere Temperaturen hat. Die Stelle, die eine größere Elektrokatalysatorvergiftung hat und dem Kühlwasser ausgesetzt ist, das aus den Kühlwasserkanälen 601 ausströmt, hat demgemäß eine relativ hohe Temperatur. Der Anstieg in der Temperatur erhöht die für die Brennstoffzelle 10 zulässige Konzentration an Kohlenmonoxid, wodurch die Elektrokatalysatorvergiftung schneller und effektiver rückgängig gemacht wird.
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das auf schematische Weise eine Struktur eines Brennstoffzellengeneratorsystems 700 als ein siebtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung veranschaulicht. Das Brennstoffzellengeneratorsystem 700 hat eine Struktur ähnlich der des sechsten Ausführungsbeispiels, mit der Ausnahme, daß zwei zusätzliche Temperatursensoren 701 und 703 vorhanden sind. Der dritte und der vierte Temperatursensor 701 und 703 sind jeweils an der ersten Verbindungsleitung 644 und der zweiten Verbindungsleitung 645 angeordnet, die mit der Kühlplatte 610 in Verbindung stehen, um die Temperaturen des Kühlwassers an dem Einlaß und dem Auslaß der Kühlwasserkanäle 601 zu messen. Die zusätzlichen Temperatursensoren 701 und 703 sind elektrisch mit einer elektronischen Steuereinheit 770 eines Steuersystems 722 verbunden. Die elektronische Steuereinheit 770 empfängt Ausgangssignale von dem dritten und vierten Temperatursensor 701 und 703 sowie von dem ersten und dem zweiten Temperatursensor 61 und 63 und ändert die Strömungsrichtung des Kühlwassers auf die gleiche Weise wie im sechsten Ausführungsbeispiel und steuert die Temperatur und die Strömung des Kühlwassers auf der Basis der empfangenen Signale.
Fig. 16 und Fig. 17 sind Ablaufpläne, die eine durch die elektronische Steuereinheit 770 in dem siebten Ausführungsbeispiel ausgeführte Steuerroutine zeigen. Die Steuerroutine wird in festgelegten Zeitabständen wiederholt durch eine CPU 772 der elektronischen Steuereinheit 770 ausgeführt. Wenn das Programm in die Routine eintritt, führt die CPU 772 die Schritte S710 bis S760 in dem Ablaufplan gemäß Fig. 16 aus, welche äquivalent den Schritten S110 bis S160 der Steuerroutine für gasförmigen Brennstoff in dem ersten Ausführungsbeispiel sind. Nach dem Prozeß gemäß Schritt S740 öffnet die CPU 772 im Schritt S745 das fünfte und das achte Magnetventil 651 und 654 und schließt das sechste und das siebte Magnetventil 652 und 653. Nach dem Prozeß gemäß Schritt S760 schließt die CPU 772 im Schritt S765 das fünfte und das achte Magnetventil 651 und 654 und öffnet das sechste und das siebte Magnetventil 652 und 653. Der in den Schritten S710 bis S765 ausgeführte Prozeß entspricht dem des sechsten Ausführungsbeispiels.
Das Programm rückt dann auf Schritt S770 vor, wie in dem Ablaufplan gemäß Fig. 17 gezeigt ist, in welchem die CPU 772 eine dritte Temperatur T3 des in die Kühlwasserkanäle 601 einströmenden Kühlwassers und eine vierte Temperatur T4 des aus den Kühlwasserkanälen 601 ausströmenden Wassers von dem dritten Temperatursensor 791 und dem vierten Temperatursensor 703 abliest. Im Schritt S780 subtrahiert die CPU 772 die vierte Temperatur T4 des Kühlwassers von der dritten Temperatur T3 des Kühlwassers und bestimmt den Absolutwert der Differenz als eine Temperaturdifferenz TSW. Die CPU 772 vergleicht dann im Schritt S790 die Temperaturdifferenz TSW mit einem festgelegten Wert TE (> 0).
Wenn die Antwort im Schritt S790 negativ ist, d. h., wenn die Temperaturdifferenz TSW nicht größer als der festgelegte Wert TE ist, geht das Programm zu Schritt S792, in welchem die CPU 772 die Rotationsgeschwindigkeit des Radiatorgebläses 647 erhöht, um die Dissipation von Wärme in dem Radiator 647 zu verstärken, wodurch die Temperatur des Kühlwassers um einen festgelegten Wert herabgesetzt wird, das durch die Zirkulationsleitung 603 strömt. Das Programm rückt dann auf Schritt S794 vor, in welchem das Ausströmungsvolumen der Kühlwasserpumpe 646 reduziert wird, um die Zirkulationsmenge um ein festgelegtes Volumen zu vermindern. Die reduzierte Temperatur des Kühlwassers im Schritt S792 hat eine bestimmte Beziehung zu dem reduzierten Zirkulationsvolumen im Schritt S794, um zu verhindern, daß die zu kühlende Wärmemenge schwankt. Ein einfaches Absinken der Temperatur des Kühlmittels kann eine Unterkühlung der Brennstoffzelle 10 verursachen, und so ist es folglich erforderlich, ebenso die Strömung des Kühlmittels zu regulieren. Die zu kühlende Wärmemenge wird durch Reduzieren der Strömung des Kühlwasser bei einem Abfall in der Temperatur des Kühlwassers konstant gehalten. Dieser Prozeß erhöht die Temperaturdifferenz zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Kühlwassers auf den festgelegten Wert TE, während die zu kühlende Wärmemenge konstant gehalten wird.
Wenn die Antwort im Schritt S790 bejahend ist, d. h., wenn im Gegensatz dazu die Temperaturdifferenz TSW größer als der festgelegte Wert TE ist, rückt das Programm auf Schritt S796 vor, in welchem der weitere Prozeß um eine festgelegte Zeit verzögert wird. Nach dem Prozeß im Schritt S794 oder S796 geht das Programm zu RETURN, um die Routine zu verlassen. Wenn die elektronische Steuereinheit 770 die vorhandene Vergiftung des Elektrokatalysators an der Anode 32 erfaßt, ändert das Brennstoffzellengeneratorsystem 700 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs, um zu ermöglichen, daß eine Stelle mit einer gewissen Elektrokatalysatorvergiftung dem gasförmigen Brennstoff mit einer relativ geringen Konzentration von Kohlenmonoxid ausgesetzt wird. Die Struktur des siebten Ausführungsbeispiels ändert desweiteren die Strömungsrichtung des Kühlwassers synchron mit der Änderung der Strömungsrichtung des gasförmigem Brennstoffs, uni die Strömungsrichtung des Kühlwassers umgekehrt zu der des gasförmigen Brennstoffs zu gestalten, wodurch eine Stelle mit größerer Elektrokatalysatorvergiftung dem Kühlwasser mit einer relativ hohen Temperatur ausgesetzt wird, das aus den Kühlwasserkanälen 601 strömt.
Das Brennstoffzellengeneratorsystem 700 erhöht die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlwasser, das in die Kühlwasserkanäle 601 einströmt und aus diesen ausströmt, auf den festgelegten Wert TE, während die zu kühlende Wärmemenge konstant gehalten wird. Dies ermöglicht, das eine Stelle mit größerer Elektrokatalysatorvergiftung dem Kühlwasser mit einer relativ hohen Temperatur ausgesetzt wird und eine Stelle mit geringerer Elektrokatalysatorvergiftung dem Kühlwasser mit einer relativ geringen Temperatur ausgesetzt wird. Dies beseitigt auf effektive Weise das Temperaturungleichgewicht auf der Elektrodenoberfläche und führt die Elektrode mit einer Elektrokatalysatorvergiftung auf schnellere und wirksamere Weise in einem normalen Zustand zurück. Die Kühlplatte 610 bewirkt, daß die zu kühlende Wärmemenge konstant gehalten wird. Dies minimiert die Ausgangsschwankung bezüglich der Ladung und gestattet, daß die Brennstoffzelle 10 auf stabile Weise bei einer konstanten Temperatur arbeitet.
Wenn die vorhandene Elektrokatalysatorvergiftung erfaßt wird, ändert die Struktur des sechsten Ausführungsbeispiels oder des siebten Ausführungsbeispiels die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs und schaltet die Strömungsrichtung des Kühlwassers um, um zu erreichen, daß das Kühlwasser von einer Stelle mit geringer Elektrokatalysatorvergiftung zu einer Stelle mit größerer Elektrokatalysatorvergiftung strömt. Eine alternative Struktur schaltet nur die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs um. Dies macht die Elektrokatalysatorvergiftung nicht auf vollständige Weise rückgängig, aber verhindert die weitere Vergiftung durch Ansteigen der für die Brennstoffzelle 10 zulässigen Konzentration von Kohlenmonoxid.
Im sechsten Ausführungsbeispiel und siebten Ausführungsbeispiel wird als ein Kühlmittel der Brennstoffzelle 10 Wasser genutzt. Andere mögliche Beispiele für das Kühlmittel sind organische Flüssigkeiten wie zum Beispiel Ethylenglykol und Silikonöl und Gase wie zum Beispiel Luft und ein Inertgas.
Ein achtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kurz beschrieben. Während die vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs auf der Basis der Erfassung der vorhandenen Elektrokatalysatorvergiftung ändern, schaltet die Struktur gemäß dem achten Ausführungsbeispiel die Energiequelle zur Zufuhr von Elektrizität zu einer Last von der Polymerelektrolyt- Brennstoffzelle 10 zu einer Sekundärzelle (nicht gezeigt), die parallel mit der Brennstoffzelle 10 elektrisch verbunden ist, synchron mit der Umschaltung der Strömung des gasförmigen Brennstoffs.
Die Umschaltung der Energiequelle zur Zufuhr von Elektrizität zu der Last wird auf die folgende Weise ausgeführt. In der Struktur, in welcher die Sekundärzelle und die Brennstoffzelle 10 parallel miteinander verbunden sind, um eine Zufuhr von Elektrizität zu der Last sowohl von der Sekundärzelle als auch der Brennstoffzelle 10 zu gestatten, wird die Brennstoffzelle 10 von der Last abgekoppelt, wodurch der Laststrom durch die Brennstoffzelle 10 unterbrochen wird. Dann wird die Strömungsrichtung des der Brennstoffzelle 10 zugeführten gasförmigen Brennstoffs durch Ein/Ausschalten des ersten bis vierten Magnetventils 51 bis 54 geändert. Es gibt eine bestimmte Zeitverzögerung zwischen den Ein/Ausschaltvorgängen der Magnetventile 51 bis 54 und der tatsächlichen Umkehrung der Strömungsrichtung, die eine stabile Strömung des gasförmigen Brennstoffs ergibt. Die Zeitverzögerung hängt von der Länge der Rohrleitung, dem Durchmesser der Rohre, den Positionen der Schaltventile und der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druck des Gases in jeder Brennstoffzelle 10 ab. Es ist demgemäß wünschenswert, eine optimale Zeit zu messen und zu bestimmen, nach welcher die Strömung des gasförmigen Brennstoffs für jede Brennstoffzelle 10 stabil wird. Nachdem die optimale Zeit vergangen ist, wird die Brennstoffzelle 10 erneut mit der Last verbunden, was eine Zufuhr von Elektrizität von sowohl der Sekundärzelle als auch der Brennstoffzelle 10 gestattet. Die Sekundärzelle wird dann von der Last abgeschaltet, so daß der Last die Elektrizität nur von der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird.
Diese Struktur reduziert den Laststrom der Brennstoffzelle 10 und steuert einen zeitweiligen Abfall der Ausgangsspannung, begleitet von der Umschaltung der Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs.
Ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird kurz beschrieben. Das neunte Ausführungsbeispiel ist eine Modifikation des vorhergehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiels. Während bei dem dritten Ausführungsbeispiel die Luftströmung in die Partialoxidierungseinheit 303 des Reformers 16 unter der Bedingung einer geringen Elektrokatalysatorvergiftung gesteigert wird (Schritt S324 in dem Ablaufplan gemäß Fig. 10), wird bei der Struktur des neunten Ausführungsbeispiels unter der Bedingung der geringen Elektrokatalysatorvergiftung der Gasdruck in dem System für gasförmigen Brennstoff erhöht. Die Steigerung des Gasdrucks wird durch die Steuerung eines Druck-regulierenden Ventils durchgeführt, das im allgemeinen hinter dem Auslaß des gasförmigen Brennstoffs in der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist.
Diese Struktur erhöht zeitweilig den Gasdruck über den idealen Pegel hinaus, um die Anti-CO-Vergiftungsfähigkeit des Elektrokatalysators mit einem zeitweiligen Abfall in der Effizienz der Brennstoffzelle 10 zu steigern. Dies macht auf wirksame Weise einen geringen Grad der Elektrokatalysatorvergiftung rückgängig und verhindert wie im dritten Ausführungsbeispiel eine weitere Vergiftung.
Es gibt viele andere Modifikationen, Abänderungen und Änderungen, ohne daß eine Entfernung vom Geltungsbereich oder Gedanken der grundlegenden Charakteristiken der Erfindung erfolgt. Es ist somit deutlich verständlich, daß die vorhergehenden Ausführungsbeispiele nur der Veranschaulichung dienen und in keiner Weise einschränkend sind. Einige Beispiele für Modifikationen werden im folgenden angegeben.
Anstelle von Platin, welches in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen als der Elektrokatalysator der Anode 32 benutzt wird, kann ein Legierungs-Elektrokatalysator zur Anwendung kommen. Der Legierungs-Elektrokatalysator enthält eine erste Komponente aus Platin und eine zweite Komponente oder eine Vielzahl von zweiten Komponenten, die aus der Gruppe enthaltend Ruthenium, Nickel, Kobalt, Vanadium, Palladium und Indium gewählt wird/werden. Der Legierungs- Elektrokatalysator übt die gleichen Wirkungen wie Platin in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen aus.
Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen arbeitet die Struktur zur Eingabe einer Differenz zwischen Temperaturen, die durch den ersten und zweiten Temperatursensor 61 und 63 gemessen werden, die an der Elektrodenoberfläche angeordnet sind, als die Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung. Eine alternative Struktur hat drei oder mehr Temperatursensoren, um Temperaturen an beiden Enden eines ausgewählten ersten Kanals 34p für gasförmigen Brennstoff und an einer anderen Stelle oder anderen speziellen Stellen zu erfassen. Es gibt die Tendenz, daß die Elektrokatalysatorvergiftung an einer speziellen Stelle (zum Beispiel der Stelle, an welcher sich Gas staut) entsprechend der Form der ersten Kanäle 34p für gasförmigen Brennstoff auftritt. Diese alternative Struktur mißt die Temperatur einer solchen speziellen Stelle sowie an den Enden des ersten Kanals 34p in der Brennstoffzelle 10, wodurch die Vergiftung des Elektrokatalysators durch Kohlenmonoxid genauer erfaßt wird.
Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird der gasförmige Brennstoff, das oxidierende Gas oder das Kühlwasser über einen Verteiler oder einen Distributor zu den entsprechenden Zellenelementen verteilt, die in einer Brennstoffzelle enthalten sind. Unter der Voraussetzung, daß die Zellenelemente in einer Brennstoffzelle im wesentlichen identische Eigenschaften haben und der Verteiler das Gas oder Kühlwasser auf einheitliche Weise verteilt, tritt die Vergiftung des Platin-Elektrokatalysators durch Kohlenmonoxid gleichzeitig auf und wird in allen Zellenelementen der Brennstoffzelle rückgängig gemacht. Bei dem vorliegenden System bewirkt jedoch eine heterogene Gasströmung in dem Verteiler das Auftreten einer Elektrokatalysatorvergiftung an einem speziellen Zellenelement in der Brennstoffzelle. Es ist demgemäß wünschenswert, zwei Temperatursensoren 61 und 63 an einem solchen Zellenelement einzusetzen, das eine höhere Wahrscheinlichkeit der Elektrokatalysatorvergiftung hat. Dies minimiert die Anzahl (zwei) von Thermoelementen, die in einer Brennstoffzellengruppe erforderlich sind, die eine große Anzahl von Brennstoffzellenelementen enthält, wodurch das Brennstoffzellengeneratorsystem auf einfache Weise gesteuert wird und die Kosten für die Herstellung des Brennstoffzellengeneratorsystems reduziert werden.
Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird die Struktur zur Eingabe einer Differenz zwischen Temperaturen, die durch den ersten und zweiten Temperatursensor 61 und 63 gemessen werden, die an der Elektrodenoberfläche angeordnet sind, für die Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung angewandt. Einige Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 10 führen zur lokalen Benetzung oder Befeuchtung auf der Elektrolytmembran/Elektrodenstruktur jedes Zellenelements, wodurch die elektrochemischen Reaktionen an dem Gasauslaß auf der Seite der Anode oder der Seite der Katode überlagert werden und die Temperatur der Stelle herabgesetzt wird. Dies kann in einer ungenauen Erfassung der Temperatur resultieren. Die Brennstoffzelle hat im allgemeinen eine Struktur zur kontinuierlichen Überwachung der Impedanz (des Zellenwiderstands) der Brennstoffzelle und Regulierung der Menge an Wasserdampf oder Feuchtigkeit in dem gasförmigen Brennstoff oder dem oxidierenden Gas auf der Basis der Überwachung, um die Elektrolytmembran/Elektrodenstruktur in dem optimalen Feuchtigkeitszustand zu halten. Jede beliebige Struktur der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wird vorzugsweise bei einer solchen Brennstoffzelle 10 angewandt, die eine Funktion zur Steuerung der Impedanz hat.
Wenn die Struktur der vorhergehenden Ausführungsbeispiele bei einer Brennstoffzelle 10 angewendet wird, die keine Funktion zur Steuerung der Impedanz hat, wird ein Impedanzmeßgerät zur Messung der Impedanz in dem Brennstoffzellengeneratorsystem eingesetzt. Gemäß einer zu bevorzugenden Struktur wird bestimmt, ob die Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperatursensoren 61 und 63, die an der Elektrodenoberfläche angeordnet sind, auf die lokale Befeuchtung und Austrocknung der Elektrolytmembran/Elektrodenstruktur oder auf die Vergiftung des Platin-Elektrokatalysators durch das in dem gasförmigen Brennstoff enthaltene Kohlenmonoxid zurückzuführen ist.
Der Geltungsbereich und der Gedanke der vorliegenden Erfindung werden nur durch den Wortlaut der beigefügten Ansprüche eingegrenzt.
Die Erfindung erfaßt auf eindeutige Weise ohne Verzögerung die Vergiftung eines Elektrokatalysators in einer Brennstoffzelle und macht diese auf die gleiche Weise rückgängig. Ein erster Temperatursensor (61) und ein zweiter Temperatursensor (63) sind jeweils an einem Einlaß und einem Auslaß der ersten Kanäle (34p) für gasförmigen Brennstoff in einer Brennstoffzelle (10) angeordnet. Eine elektronische Steuereinheit (70) empfängt Erfassungssignale von den Temperatursensoren (61, 63) und schätzt einen Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators an einer Anode (32) auf der Basis der Erfassungssignale ein. Wenn festgestellt wird, daß der Elektrokatalysator vergiftet ist, schaltet die elektronische Steuereinheit (70) das erste bis vierte Magnetventil (51-54) ein und aus, um die Strömungsrichtung des gasförmigen Brennstoffs durch die ersten Kanäle (34p) zu ändern. Dies gestattet, daß eine Stelle mit einer Elektrokatalysatorvergiftung dem gasförmigen Brennstoff ausgesetzt wird, der eine relativ geringe Konzentration an Kohlenmonoxid hat.

Claims

1. Brennstoffzellengenerator zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft mittels einer elektrochemischen Reaktion eines reaktiven Gases, wobei der Brennstoffzellengenerator aufweist:

eine Elektrode, die eine Oberfläche mit einem auf diese aufgetragenen Elektrokatalysator hat, wobei das reaktive Gas auf eine Oberfläche der Elektrode zugeführt wird, um die elektrochemische Reaktion zu bewirken,

einen Strömungsweg, der einen Einlaß und einen Auslaß hat, um das reaktive Gas auf die Oberfläche der Elektrode zuzuführen,

eine Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Differenz in der Reaktivität des Elektrokatalysators zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs, und

eine Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung zur Variation der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs auf der Basis der durch die Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung erfaßten Differenz, um die Vergiftung des Elektrokatalysators rückgängig zu machen.

2. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, der ferner aufweist:

eine Gasausnutzungs-Berechnungseinrichtung zur Berechnung eines Ausnutzungsgrads des reaktiven Gases an der Elektrode, und

eine Verhinderungseinrichtung zur Verhinderung der Rückgängigmachung der Vergiftung des Elektrokatalysators, wenn der Ausnutzungsgrad des reaktiven Gases einen Mangel des reaktiven Gases repräsentiert.

3. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 2, bei welchem die Gasausnutzungs-Berechnungseinrichtung aufweist:

eine Berechnungseinrichtung für die erforderliche Strömung zur Berechnung einer erforderlichen Strömung des reaktiven Gases zu der Elektrode,

eine Berechnungseinrichtung für die tatsächliche Zuführung zur Berechnung einer tatsächlichen Zuführung des reaktiven Gases zu der Elektrode, und

eine Differenz-Berechnungseinrichtung zur Berechnung einer Differenz zwischen der erforderlichen Strömung und der tatsächlichen Zuführung.

4. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, bei welchem die Reaktivitätsdifferenz-Berechnungseinrichtung aufweist: eine Temperaturdifferenz-Erfassungseinrichtung zur Erfassung einer Differenz in der Temperatur zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs.

5. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, bei welchem die Reaktivitätsdifferenz-Berechnungseinrichtung ferner aufweist: eine Erfassungseinrichtung für die Differenz der elektrischen Ausgangsleistung zur Erfassung einer Differenz in der elektrischen Ausgangsleistung der Elektrode zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs.

6. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung aufweist: eine Gasströmungs-Steuereinrichtung zur Steuerung einer Strömungsrichtung des reaktiven Gases, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.

7. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 6, bei welchem die Elektrode eine erste Elektrode ist und bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine zweite Elektrode, die eine Oberfläche mit einem auf diese aufgetragenen Elektrokatalysator hat, wobei ein oxidierendes Gas auf eine Oberfläche der zweiten Elektrode zugeführt wird,

eine Steuereinrichtung für die Strömung des oxidierenden Gases zur Steuerung einer Strömungsrichtung des oxidierenden Gases, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases identisch mit der Strömungsrichtung des reaktiven Gases zu machen.

8. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 6, der ferner aufweist:

eine Kühlmittelleitung, die im wesentlichen parallel zu der Oberfläche der Elektrode verläuft, um ein Kühlmittel parallel zu der Strömungsrichtung des reaktiven Gases passieren zu lassen, und

bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine Kühlmitteldurchfluß-Steuereinrichtung zur Steuerung einer Durchflußrichtung des Kühlmittels durch die Kühlmittelleitung, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.

9. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 8, welcher ferner aufweist:

eine Temperatursteuereinrichtung zur Variation der Temperatur des der Kühlmittelleitung zugeführten Kühlmittels, und

eine Durchflußsteuereinrichtung zur Variation eines Durchflusses des der Kühlmittelleitung zugeführten Kühlmittels,

wobei die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine Kühlwärmemenge-Steuereinrichtung zur Aktivierung der Temperatursteuereinrichtung und der Strömungssteuereinrichtung, um die Temperatur und den Durchfluß des Kühlmittels herabzusetzen, um eine durch die Kühlmittelkonstante adsorbierbare Wärmemenge aufrechtzuerhalten.

10. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, welcher ferner aufweist:

eine Reformereinrichtung zum Reformieren eines Brennstoffs, um das reaktive Gas zu erzeugen, und

bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung aufweist:

eine Reformierungsunterdrückungseinrichtung zur zwangsweisen Herabsetzung einer Konzentration von Kohlenmonoxid, das in dem reaktiven Gas enthalten ist.

11. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 10, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine Gasströmungsumkehreinrichtung zur Umkehrung der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der Elektrode, und

eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasströmungsumkehreinrichtung oder der Reformierungsunterdrückungseinrichtung gemäß der durch die Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung erfaßten Differenz.

12. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung aufweist: eine Zuführungsdruckerhöhungseinrichtung zur zeitweiligen Erhöhung eines Zuführungsdrucks des reaktiven Gases zu der Elektrode.

13. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 12, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasströmungsumkehreinrichtung oder der Zuführungsdruckerhöhungseinrichtung gemäß dem Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators.

14. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 1, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung aufweist: eine Unterbrechungseinrichtung zum Austausch des reaktiven Gases gegen ein Spülgas, das entlang der Oberfläche der Elektrode strömt, um die Erzeugung der elektromotorischen Kraft zu unterbrechen.

15. Brennstoffzellengenerator in Übereinstimmung mit Anspruch 14, bei welchem die Vergiftungsrückgängigmachungseinrichtung ferner aufweist:

eine Selektivaktivierungseinrichtung zur selektiven Aktivierung der Gasströmungsumkehreinrichtung oder der Unterbrechungseinrichtung gemäß dem Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators.

16. Brennstoffzellenerzeugungsverfahren zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft mittels einer elektrochemischen Reaktion eines reaktiven Gases, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

(a) Schaffung einer Elektrode, die eine Oberfläche mit einem auf diese aufgetragenen Elektrokatalysator hat, wobei das reaktive Gas auf eine Oberfläche der Elektrode zugeführt wird, um die elektrochemische Reaktion zu bewirken,

(b) Schaffung eines Strömungswegs, der einen Einlaß und einen Auslaß hat, um das reaktive Gas auf die Oberfläche der Elektrode zuzuführen,

(c) Erfassung einer Differenz in der Reaktivität des Elektrokatalysators zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs,

(d) Rückgängigmachung der Vergiftung durch Variation der elektrochemischen Reaktion zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs auf der Basis der durch die Reaktivitätsdifferenz-Erfassungseinrichtung erfaßten Differenz, um die Vergiftung des Elektrokatalysators rückgängig zu machen.

17. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 16, das ferner den Schritt aufweist:

(e) Berechnung eines Ausnutzungsgrads des reaktiven Gases an der Elektrode, und

(f) Verhinderung der Rückgängigmachung der Vergiftung, wenn der Ausnutzungsgrad des reaktiven Gases einen Mangel des reaktiven Gases repräsentiert.

18. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 16, bei welchem der Schritt (c) den Schritt aufweist:

(c-1) Erfassung einer Differenz in der Temperatur zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Strömungswegs.

19. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 16, bei welchem der Schritt (d) den Schritt aufweist:

(d-1) Steuerung einer Strömungsrichtung des reaktiven Gases, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.

20. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 19, bei welchem die Elektrode eine erste Elektrode ist und bei welchem das Verfahren ferner den Schritt aufweist:

(g) Schaffung einer zweiten Elektrode, die eine Oberfläche mit einem auf diese aufgetragenen Elektrokatalysator hat, wobei ein oxidierendes Gas auf eine Oberfläche der zweiten Elektrode zugeführt wird, und

bei welchem der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist:

(d-2) Steuerung einer Strömungsrichtung des oxidierenden Gases, um die Strömungsrichtung des oxidierenden Gases identisch mit der Strömungsrichtung des reaktiven Gases zu machen.

21. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 19, das ferner den Schritt aufweist:

(h) Passieren eines Kühlmittels parallel zu der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der Elektrode, und

bei welchem der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist:

(d-3) Steuerung einer Strömungsrichtung der Kühlmittelleitung, um dadurch die Vergiftung zu reduzieren.

22. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 16, welches ferner den Schritt aufweist:

(i) Reformieren eines Brennstoffs, um das reaktive Gas zu erzeugen, und

bei welchem der Schritt (d) den Schritt aufweist:

(d-4) Zwangsweise Herabsetzung einer Konzentration von Kohlenmonoxid, das in dem reaktiven Gas enthalten ist.

23. Verfahren in Übereinstimmung mit Anspruch 22, bei welchem der Schritt (d) ferner die Schritte aufweist:

(d-5) Umkehrung der Strömungsrichtung des reaktiven Gases entlang der Oberfläche der ersten Elektrode, und

(d-6) selektive Ausführung des Schritts (d-4) oder des Schritts (d-5) gemäß dem Grad der Vergiftung des Elektrokatalysators.