DE10106536A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Energie durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff - Google Patents

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle (FC-Stapel) (200), ein Einströmkanalventil (505), welches in einem Wasserstoffeinströmkanal (505a) vorgesehen ist, durch den Wasserstoff dem FC-Stapel zugeführt wird, und ein Auslasskanalventil (506), welches in einem Wasserstoffauslasskanal (506a) vorgesehen ist, durch den Wasserstoff enthaltendes Gas aus dem FC-Stapel in Form von Abgas ausgetragen wird. In der Brennstoffzelle wird Wasserstoff dem FC-Stapel intermittierend in Einklang mit der in dem FC-Stapel verbrauchten Wasserstoffmenge zugeführt, in dem das Öffnen und Schließen des Einströmkanalventils und des Wasserstoffauslassventils gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle enthält, die elektrische Energie erzeugt, und zwar durch chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die effektiv bei einem sich bewegenden Körper, wie bei­ spielsweise Fahrzeugen, Schiffen und tragbaren Generatoren, anwendbar ist.

Eine Brennstoffzelle erzeugt eine elektrische Energie durch eine chemische Re­ aktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die in Einklang mit der erforderlichen elektrischen Energie zugeführt werden. Es ist jedoch schwierig, Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird, zu 100% zu nutzen und Wasserstoff, der nicht reagiert hat, wird zusammen mit dem Abgas ausgetragen (Wasserdampf, Kohlenstoff­ dioxid und ähnlichem). Im allgemeinen wird eine Menge an Wasserstoff, die der Brenn­ stoffzelle zugeführt wird, auf einen Wert eingestellt, der größer ist als ein theoretischer Wert, und zwar in Anbetracht der Menge des Wasserstoffes, der nicht reagiert. Auf Grund dieser Tatsache ist es schwierig, die Menge an Wasserstoff, der nicht reagiert und aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, zu verringern.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das zuvor erläuterte Problem entwickelt. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Menge an Wasserstoff, die nicht reagiert und aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, zu vermindern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, kurz gesagt, Wasserstoff einer Brenn­ stoffzelle intermittierend in Einklang mit der Wasserstoffmenge zugeführt, die in der Brennstoffmenge verbraucht wird.

In bevorzugter Weise wird ein Auslassdurchgangsventil (zweites Ventil) in einem Wasserstoffauslasskanal oder -durchgang vorgesehen, über den Wasserstoff, welches Gas enthält, aus der Brennstoffzelle als Abgas ausgetragen wird. Das Auslassdurch­ gangsventil öffnet oder schließt den Wasserstoffauslasskanal oder -durchgang basierend auf der Wasserstoffmenge, die in der Brennstoffzelle verbraucht wird.

Noch bevorzugter wird ein Eingangsströmungskanalventil (erstes Ventil) in einem Wasserstoffeinströmkanal vorgesehen und dieses Ventil öffnet oder schließt den Wasserstoffeinströmkanal. Das Wasserstoffeinströmventil wird geöffnet, um Wasser­ stoff der Brennstoffzelle zuzuführen, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Brenn­ stoffzelle gleich ist mit oder kleiner ist als eine erste Konzentration. Das Auslasskanal­ ventil wird geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle an­ zuhalten, wenn die Wasserstoffkonzentration, die in der Brennstoffzelle detektiert wird, gleich ist mit oder größer ist als eine zweite Konzentration, die größer ist als die erste Konzentration.

Wenn demzufolge die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle hoch ist, so ist Wasserstoff in der Brennstoffzelle in solcher Menge vorhanden, daß eine aus­ reichende Reaktion stattfinden kann und, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle niedrig ist, wird Wasserstoff weiter zur Brennstoffzelle zugeführt. Dem­ zufolge kann eine Menge an Wasserstoff, der nicht reagiert und aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, reduziert werden.

Andere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich klarer aus einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen, die weiter unten unter Hinweis auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm zeigt, welches eine Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;

Fig. 2 eine schematische Ansicht ist, die eine Brennstoffzelle (FC-Stapel) in der ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 3 ein Steuerblockdiagramm des Brennstoffzellensystems bei der ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4 ein Graph ist, der die Zeitlagen des Öffnens und Schließens des ersten und des zweiten Wasserstoffventils in Bezug auf eine Wasserstoffmenge zeigt (restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel), die durch einen Wasserstoffsensor detektiert wurde;

Fig. 5 ein schematisches Diagramm ist, welches eine Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform darstellt;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt;

Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen FC-Stapel (FC stack) und die Nachbarschaft von demselben bei der ersten Ausführungsform zeigt;

Fig. 8 ein schematisches Diagramm zeigt, welches ein Brennstoffzellensystem bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht;

Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen FC-Stapel und die Umgebung des­ selben bei der vierten Ausführungsform zeigt;

Fig. 10 ein Graph ist, der die Zeitlagen des Öffnens und Schließens eines Aus­ lasskanalventils in bezug auf eine Wasserstoffmenge zeigt (restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel), die durch einen Wasser­ stoffsensor detektiert wurde;

Fig. 11 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Brennstoffzellensystem bei einer fünften bevorzugten Ausführungsform zeigt;

Fig. 12 eine vergrößerte schematische Ansicht ist, die einen FC-Stapel und die Umgebung desselben bei der fünften Ausführungsform veranschaulicht;

Fig. 13 eine vergrößerte schematische Ansicht ist, die den FC-Stapel und die Umgebung desselben bei einer Modifikation der fünften Ausführungs­ form zeigt;

Fig. 14 eine vergrößerte schematische Ansicht zeigt, die einen FC-Stapel und die Umgebung desselben bei einer sechsten bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht;

Fig. 15 eine vergrößerte schematische Ansicht wiedergibt, die einen FC-Stapel und die Umgebung desselben bei einer siebten bevorzugten Ausführungs­ form zeigt;

Fig. 16 ein schematisches Diagramm ist, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform wiedergibt;

Fig. 17 ein vergrößertes schematisches Diagramm ist, welches einen FC-Stapel und die Umgebung desselben bei der achten Ausführungsform darstellt; und

Fig. 18 ein vergrößertes schematisches Diagramm ist, welches den FC-Stapel und die Umgebung desselben gemäß einer Modifikation der achten Aus­ führungsform zeigt.

(Erste Ausführungsform)

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung bei einem Elektrofahrzeug angewendet (im folgenden als Fahr­ zeug abgekürzt), welches schematisch in Fig. 1 gezeigt ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, enthält das Brennstoffzellensystem einen Wasser­ stoffgenerator (Wasserstoffzuführeinheit) 100 (durch eine strichlierte Linie umgeben) und eine Brennstoffzelle (FC-Stapel) 200. Der Wasserstoffgenerator 100 erzeugt ein wasserstoffreiches Gas, welches eine große Menge an Wasserstoff enthält, und zwar aus einer Mischlösung aus Wasser und Methanol (Methanol-Mischlösung) und führt das wasserstoffreiche Gas dem FC-Stapel 200 zu, wie weiter unten erläutert wird.

Der Wasserstoffgenerator 100 besteht aus einem Brennstoffverdampfer 110 zum Verdampfen der Methanol-Mischlösung, einer Brennstoffreformereinheit (Reformer) 120, um eine chemische Reaktion zwischen dem Methanoldampf und dem Wasser­ dampf zu induzieren, der in dem Verdampfer 110 verdampft (gasförmig gemacht) wurde, um eine Umformung in Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und eine kleine Menge an Kohlenstoffmonoxid und ähnliches zu bewirken, wodurch Wasserstoff gebildet wird. Die Methanol-Mischlösung wird aus einem Tank 130, der an einem Fahrzeug montiert ist und eine Methanol-Mischlösung enthält, zu dem Verdampfer 110 mit Hilfe einer ersten Pumpe 131 überführt.

In dem FC-Stapel 200 tritt eine chemische Reaktion zwischen dem wasserstoff­ reichen Gas, welches in dem Wasserstoffgenerator 100 erzeugt wurde, und Luft (Sauer­ stoff) statt, um Elektrizität zu erzeugen. Die in dem FC-Stapel 200 erzeugte Elektrizität treibt einen Motor M an. Der Brennstoffzellenstapel 200 enthält einen Elektrodenkataly­ sator, dessen katalytische Funktion dazu neigt, durch das Kohlenstoffmonoxid verrin­ gert zu werden. Auf Grund dieser Tatsache ist bei dieser Ausführungsform eine das Kohlenstoffmonoxid reduzierende Einheit 140 in dem Wasserstoffgenerator 100 vorge­ sehen, welche das Kohlenstoffmonoxid, welches in dem Reformer 120 erzeugt wurde, oxidiert, um es in Kohlenstoffdioxid umzuwandeln.

Luft, die zu dem FC-Stapel 200 hingeblasen wird, wird durch einen Luftbefeuch­ ter 221 angefeuchtet und ein Entfeuchter 222 kühlt das Abgas (Wasserdampf, Luft und ähnliches), welches aus dem FC-Stapel 200 ausgetragen wird, und entfernt kollektiv Wasser aus dem Abgas. Das durch den Entfeuchter 222 gesammelte Wasser wird zu dem Luftbefeuchter 221 über einen Kondenswasserrückleitkanal 223 zurückgeleitet und wird für die Befeuchtung der Luft wieder verwendet, die zu dem FC-Stapel 200 hin­ geblasen wird.

In dem FC-Stapel 200 sind, wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine positive Elektroden­ seite und eine negative Elektrodenseite voneinander getrennt, wobei ein Polymerfilm dazwischen eingefügt ist. Es wird Luft (Sauerstoff) der positiven Elektrodenseite zuge­ führt, während wasserstoffreiches Gas der negativen Elektrodenseite zugeführt wird. Es wird daher Abgas, welches Wasserdampf zu einem großen Anteil enthält, von der posi­ tiven Elektrodenseite ausgetragen und Wasserstoffgas, welches nicht reagiert hat und auch Kohlendioxid werden von der negativen Elektrodenseite ausgetragen.

Um erneut auf Fig. 1 Bezug zu nehmen, so ist ein Methanol-Brennstofftank 300 dafür vorgesehen, um Brennstoff (bei dieser Ausführungsform Methanol) für das Erhitzen des Verdampfers 110 zu speichern, der an dem Fahrzeug montiert ist. Das Methanol (Brennstoff), welches in dem Methanol-Brennstofftank 300 gespeichert ist, wird zu dem Verdampfer 110 mit Hilfe einer zweiten Pumpe 310 überführt. Nebenbei bemerkt, ist ein Brennstoffrückleitventil 311 vorgesehen, um einen Methanol-Rückleit­ kanal 312 zu öffnen oder zu schließen, der einen Teil des Methanols zurückleitet, wel­ ches aus der zweiten Pumpe 310 ausgetragen wird, und zwar zu dem Methanol-Brenn­ stofftank 300. Ein Methanolventil 504 steuert die Zuführmenge des Methanols, welches aus dem Methanol-Brennstofftank 300 dem Verdampfer 110 und dem Reformer 120 zugeführt wird.

Ein wasserstoffreiches Gas wird aus dem Wasserstoffgenerator 100 dem FC-Sta­ pel (negative Elektrodenseite) 200 zugeführt, und zwar über einen Wasserstoffeinström­ kanal 505a, und es ist ein erstes Wasserstoffventil (ein Einströmkanalventil) 505 vorge­ sehen, um den Wasserstoffeinströmkanal 505a zu öffnen oder zu schließen. Fig. 7 zeigt schematisch den FC-Stapel 200 und die Umgebung desselben. Das zugeführte wasser­ stoffreiche Gas strömt in den FC-Stapel 200 und wird darin verbraucht, und zwar durch die Reaktion mit Sauerstoff, um Elektrizität zu erzeugen, und das Restgas wird über eine Austragöffnung (Wasserstoffauslasskanal) 506a ausgestoßen, die an der negativen Elektrodenseite von dem FC-Stapel 200 vorgesehen ist. Ein zweites Wasserstoffventil (Auslasskanalventil) 506 ist vorgesehen, um die Austragsöffnung 506a zu öffnen oder zu schließen.

Auf der anderen Seite wird Umgebungsluft durch eine Luftpumpe 400 angesaugt und wird dem Wasserstoffgenerator 100 (Verdampfer 110 und Reformer 120) und zu dem FC-Stapel 200 zugeführt. Ein erstes Luftverteilungsventil 501 verteilt die Luft, die von der Luftpumpe 400 zugeführt wird, in den Wasserstoffgenerator 100 und in den FC- Stapel 200, wobei die jeweiligen Verteilungsmengen gesteuert werden. Ferner verteilen zweite und dritte Luftverteilungsventile 502, 503 die Luft weiter, die dann zur Seite des Wasserstoffgenerators 100 durch den ersten Luftverteiler 501 verteilt wurde, und zwar in den Verdampfer 110, den Reformer 120 und die Kohlenstoffmonoxidreduziereinheit 140, während die jeweiligen Verteilungsmengen gesteuert werden.

Das in dem Sauerstoffgenerator 100 erzeugte verbrannte Abgas und das Abgas, welches in dem FC-Stapel 200 erzeugt wurde, werden in die Atmosphäre über Auspuff­ kanäle 411 und 414 abgegeben. Ferner wird bei dieser Ausführungsform das Abgas aus der Austragsöffnung 506a auf der negativen Elektrodenseite des FC-Stapels 200 eben­ falls in die Atmosphäre ausgetragen.

Fig. 3 zeigt ein Steuerblockdiagramm des Brennstoffzellensystems. Wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, enthält der FC-Stapel 200 einen Wasserstoffsensor 601 zum Detektieren einer Konzentration des Wasserstoffes (Wasserstoffmenge), die in dem FC- Stapel 200 (der negativen Elektrodenseite) vorhanden ist, und es wird ein detektiertes Signal des Wasserstoffsensors 601 einer FC-Systemsteuereinheit (FCCU) 600 einge­ speist, welche die Gesamtheit des Brennstoffzellensystems steuert. Das erste bis dritte Luftverteilungsventil 501 bis 503, das Methanolventil 504, das erste und das zweite Wasserstoffventil 505, 506 werden durch die FCCU 600 basierend auf dem detektierten Signal des Wasserstoffsensors 601, der Temperatur des FC-Stapels 200 und den detek­ tierten Signalen einer Sensorgruppe S, welche die Betriebszustände, wie beispielsweise eine Last des Motors, detektieren, gesteuert.

Als nächstes werden die Operationen des ersten und des zweiten Wasserstoff­ ventils 505, 506, welche die Merkmale der vorliegenden Ausführungsform darstellen, im folgenden erläutert.

Fig. 4 zeigt die Zeitlagen für das Öffnen und Schließen des ersten und des zweiten Wasserstoffventils 505, 506 in bezug auf die Wasserstoffmenge (restliche Wasserstoff­ konzentration in dem FC-Stapel), die durch den Wasserstoffsensor 601 detektiert wurde. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist die restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 gleich mit oder kleiner als eine erste vorbestimmte Konzentration d1, es wird das erste Wasserstoffventil 505 (Ventil 1) geöffnet, um Wasserstoff in den FC-Stapel 200 zuzuführen. Wenn die restliche Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder größer ist als eine zweite vorbestimmte Konzentration d2, die größer ist als die erste vorbestimmte Konzentration, wird das erste Wasserstoffventil 505 geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 anzuhalten. Auf der anderen Seite wird das zweite Wasserstoffventil 506 (Ventil 2) vor der Zeitsteuerung oder Zeitlage geöffnet, wenn das erste Wasserstoffventil 505 geöffnet wird, und wird vor der Zeitlage oder Zeitsteuerung geschlossen, wenn das erste Wasserstoffventil 505 geschlossen wird.

Da demzufolge bei dieser Ausführungsform das erste Wasserstoffventil 505 ge­ öffnet wird, wenn die restliche Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als die erste vorbestimmte Konzentration d1 und das erste Wasserstoffventil 505 ge­ schlossen wird, wenn die restliche Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als die zweite vorbestimmte Konzentration d2, wird Wasserstoff dem FC-Stapel 200 intermittierend in Einklang mit dem Verbrauch des Wasserstoffes in dem FC-Stapel 200 zugeführt. Es wird demzufolge die Erzeugung von Wasserstoffgas, welches nicht reagiert hat, unterdrückt, um zu verhindern, daß Wasserstoffgas, welches nicht reagiert hat, aus dem FC-Stapel 200 ausgetragen wird.

Mittlerweile enthält das wasserstoffreiche Gas, welches der negativen Elektroden­ seite (FC-Stapel 20ß) zugeführt wird, Gase, die verschieden sind von Wasserstoff, wie beispielsweise Kohlendioxid. Wenn diese Gase, die von Wasserstoff verschieden sind, bei der negativen Elektrodenseite (dem FC-Stapel 200) verbleiben, ist es schwierig, Wasserstoff weiter in den FC-Stapel 200 zuzuführen und es wird die Energieer­ zeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200 verschlechtert.

Jedoch wird bei dieser Ausführungsform das zweite Wasserstoffventil 506 geöff­ net, bevor das erste Wasserstoffventil 505 geöffnet wird, und wird geschlossen, bevor das erste Wasserstoffventil 505 geschlossen wird. Daher entsteht eine Zeitperiode, in welcher sowohl das erste als auch das zweite Wasserstoffventil 505, 506 geöffnet ist, und es können daher Restgase, wie beispielsweise Kohlendioxid, unmittelbar durch weiteres Zuführen von wasserstoffreichem Gas ausgestoßen werden. In der Konsequenz wird verhindert, daß die Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200 verringert wird.

Bei dieser Ausführungsform sind die Zeitlagen für das Öffnen und Schließen des zweiten Wasserstoffventils 506 verschieden gegenüber denjenigen für das erste Wasser­ stoffventil 505; jedoch können die Zeitlagen für das Öffnen und Schließen der zwei Ventile 505, 506 auch zueinander simultan liegen.

(Zweite Ausführungsform)

Bei der ersten Ausführungsform detektiert der Wasserstoffsensor 601 die restliche Wasserstoffkonzentration (restliche Wasserstoffmenge) in dem FC-Stapel 200 in direk­ ter Weise; es kann jedoch die Wasserstoffkonzentration auch indirekt detektiert werden, basierend auf der physikalischen Größe, die auf die Wasserstoffkonzentration bezogen ist.

Beispielsweise ist bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, ein Drucksensor (Druckdetektoreinheit) 602 anstelle des Wasserstoffsen­ sors 601 vorgesehen, um einen Druck des Gases in dem FC-Stapel 200 (der negativen Elektrodenseite) zu detektieren. Demzufolge kann die restliche Wasserstoffkonzentra­ tion in dem FC-Stapel 200 indirekt detektiert werden.

(Dritte Ausführungsform)

Bei der ersten Ausführungsform detektiert der Wasserstoffsensor 601 die restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 in direkter Form. Bei einer dritten be­ vorzugten Ausführungsform ist ein Stromdetektor 603 anstelle des Wasserstoffsensors 601 vorgesehen, um eine elektrische Energie (Strommenge) zu detektieren. Demzufolge kann die restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 indirekt detektiert werden, da die Wasserstoffmenge, welche in dem FC-Stapel 200 verbraucht wird, pro­ portional zu der Strommenge oder Stromgröße ist, die von dem FC-Stapel 200 ausgege­ ben wird.

Da andererseits die Wasserstoffmenge, die in dem FC-Stapel 200 verbraucht wird, auf eine verstrichene Zeit bezogen ist, und zwar von dem Zeitpunkt an, wenn Wasser­ stoff in den FC-Stapel 200 zugeführt wird, kann ein Zeitgeber als eine Rest-Wasser­ stoffkonzentrations-Detektoreinheit verwendet werden, bei dem eine spezifische Zeit­ dauer im voraus eingestellt wird, und zwar basierend auf einer Wasserstoffverbrauchs­ menge in dem FC-Stapel 200.

(Vierte Ausführungsform)

Gemäß Fig. 8 wird bei einer vierten bevorzugten Ausführungsform wie bei der ersten Ausführungsform ein wasserstoffreiches Gas von dem Wasserstoffgenerator 100 in den FC-Stapel 200 (negative Elektrodenseite) über dem Wasserstoffeinströmkanal 505a zugeführt und wird aus dem FC-Stapel 200 über den Austragskanal 506a ausgetra­ gen.

In dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform, wie sie in den Fig. 8 und 9 gezeigt ist, ist das erste Wasserstoffventil 505 nicht vorgesehen und es ist lediglich das zweite Wasserstoffventil (Auslaßkanalventil) 506 vorgesehen, um den Wasserstoff­ auslaß- oder -austragskanal 506a zu öffnen oder zu schließen. Das Auslaßkanalventil 506 steuert die Zufuhr von wasserstoffreichem Gas in den FC-Stapel 200 und den Aus­ trag des Restgases durch Öffnen und Schließen des Auslasskanals 506a. Die anderen Merkmale sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen bei der ersten Ausführungs­ form und es sind gleiche Teile wie diejenigen in der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Als nächstes wird die Betriebsweise des Austragskanalventils 506 unten unter Hinweis auf Fig. 10 erläutert. Fig. 10 zeigt einen Graphen, der eine Beziehung zwischen der Wasserstoffmenge (der restlichen Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel), die durch den Wasserstoffsensor 601 detektiert wurde, und den Zeitlagen gemäß dem Öff­ nen und Schließen des Austragskanalventils 506 zeigt.

Wenn, wie in Fig. 10 dargestellt ist, die restliche Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 gleich ist mit oder kleiner ist als eine erste vorbestimmte Konzentration d1, wird das Auslaßkanalventil 506 geöffnet, so daß Wasserstoff dem FC-Stapel 200 zugeführt wird. Es wird demzufolge wasserstoffreiches Gas aus dem Wasserstoffgene­ rator 100 in den FC-Stapel 200 über den Wasserstoffeinströmkanal 505a zugeführt und es wird die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 erhöht.

Wenn die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 gleich ist mit oder größer ist als eine zweite vorbestimmte Konzentration d2, die größer ist als die erste vorbestimmte Konzentration d1, wird das Auslaßkanalventil 506 geschlossen, um die Zufuhr von Wasserstoff zu dem FC-Stapel 200 anzuhalten. In dem FC-Stapel 200 rea­ gieren Wasserstoff und Sauerstoff chemisch miteinander, um Elektrizität zu erzeugen, so daß die Wasserstoffkonzentration auf Grund des Verbrauches an Wasserstoff ver­ mindert wird. Die Menge an elektrischer Energie, die durch den FC-Stapel 200 erzeugt wird, nimmt allmählich ab, und zwar in Einklang mit der Abnahme der Wasserstoff­ konzentration.

Wenn dann die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 gleich ist mit oder kleiner ist als die erste vorbestimmte Konzentration d1, wird das Wasserstoffventil 506 geöffnet, um wasserstoffreiches Gas aus dem Wasserstoffgenerator 100 in den FC- Stapel 200 einzuleiten und um das restliche Gas mit einer verminderten Wasserstoff­ konzentration aus dem FC-Stapel 200 auszustoßen. Danach wird, wie in Fig. 10 gezeigt ist, das Öffnen und Schließen des Ventils 506 in Einklang mit dem Verbrauch an Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 wiederholt, so daß Wasserstoff dem FC-Stapel 200 intermittierend zugeführt wird.

Somit wird bei dem Brennstoffzellensystem der vierten Ausführungsform das Auslaßkanalventil 506 vorgesehen, um den Auslaßkanal (Auslaßöffnung) 506a des FC- Stapels 200 in Einklang mit der verbrauchten Wasserstoffmenge in dem FC-Stapel 200 zu öffnen oder zu schließen. Demzufolge kann wasserstoffreiches Gas dem FC-Stapel 200 intermittierend zugeführt werden. Das heißt dann, wenn die Wasserstoffkonzentra­ tion in dem FC-Stapel 200 hoch ist, wird das Wasserstoffventil 506 geschlossen, so daß Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 belassen wird, und zwar ausreichend, um reagieren zu können. Wenn die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 niedrig wird, wird das Wasserstoffventil 506 geöffnet, so daß das restliche Gas mit einer verminder­ ten Wasserstoffkonzentration aus dem FC-Stapel 200 ausgetragen wird und wasserstoff­ reiches Gas weiter in dem FC-Stapel 200 zugeführt wird. Es kann demzufolge die Menge an Wasserstoff, die nicht reagiert hat und aus dem FC-Stapel 200 ausgetragen wird, reduziert werden.

Da bei der vierten Ausführungsform lediglich ein Ventil in dem Wasserstoff­ auslasskanal 506a auf der stromabwärtigen Seite des FC-Stapels 200 vorgesehen ist, kann die FCCU 600 das Ventil 506 in einfacher Weise steuern und es können niedrige Kosten realisiert werden.

(Fünfte Ausführungsform)

Eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Hinweis auf die Fig. 11 und 12 erläutert. Bei dieser Ausführungsform ist ein Wasserstoffzirkulier­ kanal 700 vorgesehen, um Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 zirkulieren zu lassen. Dieser Gesichtspunkt ist gegenüber der ersten Ausführungsform unterschiedlich. Die anderen Merkmale sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen der ersten Aus­ führungsform und es sind die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet.

Spezifisch ausgedrückt wird, wie oben erläutert wurde, die Energie erzeugt durch den Verbrauch von Wasserstoff erreicht, so daß die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 vermindert wird. Die Abnahme der Wasserstoffkonzentration in dem FC- Stapel 200 verringert die Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200. Es wird in Betracht gezogen oder angenommen, daß die Abnahme der Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 in der folgenden Weise stattfindet.

Zuerst existiert Wasserstoff auf der negativen Elektrodenseite in dem FC-Sta­ pel 200, welches in den Film diffundiert und durch diesen hindurch dringt, um zur posi­ tiven Elektrodenseite zu wandern. Ferner ist Wasserstoff in der Nähe oder Nachbar­ schaft der Oberfläche der Elektrode (negative Elektrode) vorhanden und dieser wird zu Wasserstoffionen, die in Berührung mit der Elektrode gelangen, und es werden Wasserstoffionen angezogen, und zwar auf Grund einer Coulomb'schen Kraft in Bezug auf Sauerstoffionen, die an der positiven Elektrodenseite vorhanden sind, um durch den Polymerfilm hindurch zu verlaufen und um zur positiven Elektrodenseite hin zu wan­ dern. Demzufolge wird die Wasserstoffkonzentration auf der negativen Elektrodenseite in dem FC-Stapel 200 vermindert. Zu diesem Zeitpunkt wird jedoch die Wasserstoff­ konzentration nicht einheitlich an der negativen Elektrodenseite vermindert, sondern wird in signifikanter Weise in der Nachbarschaft oder Nähe der Elektrode vermindert und auch in der Nähe des Polymerfilms vermindert.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird das Auslaßkanalventil 506 geschlossen, um wasserstoffreiches Gas in dem FC-Stapel 200 aufrecht zu erhalten, so daß die Menge an Wasserstoff, die nicht reagiert hat und aus dem FC-Stapel 200 ausge­ tragen wird, reduziert wird. Auf Grund dieser Tatsache wird in dem FC-Stapel 200 das restliche Gas, welches Wasserstoff in einer verminderten Konzentration enthält, nicht gesteuert und der unabgeglichene Wasserstoffkonzentrationszustand wird beibehalten.

In dieser Verbindung wird bei dieser Ausführungsform, wie sie in den Fig. 11 und 12 gezeigt ist, die stromaufwärtige Seite des Einströmkanalventils 505 in dem Wasser­ stoffeinströmkanal 505a mit der stromabwärtigen Seite des Auslaßkanalventils 506 in dem Wasserstoffauslaßkanal 506a durch den Wasserstoffzirkulierkanal 700 verbunden, während jedoch der FC-Stapel 200 umgangen wird. Ferner ist eine Wasserstoffzirkula­ tionspumpe 701 in dem Wasserstoffzirkulationskanal 700 vorgesehen, um den Wasser­ stoff in dem FC-Stapel 200 zirkulieren zu lassen.

Wenn bei diesem Aufbau und Anordnung die Wasserstoffzirkulierpumpe 701 in einem Zustand betrieben wird, bei dem die zwei Ventile 505, 506 geschlossen sind, zir­ kuliert Wasserstoff, der Gas enthält in den FC-Stapel 200 → den Wasserstoffauslaßkanal 506a → den Wasserstoffzirkulierkanal 700 → den Wasserstoffeinströmkanal 505a → den FC-Stapel 200, und zwar in dieser Reihenfolge. Daher kann die Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 einheitlich gestaltet werden und die Wasserstoffmenge, die durch den Polymerfilm hindurchtritt, wird daran gehindert, in dem FC-Stapel 200 abzunehmen. In der Konsequenz wird eine Verschlechterung der Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200 verursacht durch eine Abnahme in der Wasserstoffkonzentration, unterdrückt.

Zusätzlich strömt Wasserstoff mit einer Strömungsgeschwindigkeit entsprechend der Zirkulation desselben in den FC-Stapel 200 ein und demzufolge gelangt der Wasser­ stoff in Berührung mit dem Polymerfilm und der Elektrode (negative Elektrode). Dies vereinfacht den Durchtritt des Wasserstoffes durch den Polymerfilm und es kann die Abnahme in der Wasserstoffmenge, die durch den Polymerfilm hindurchtritt, unter­ drückt werden.

Bei dem Brennstoffzellensystem der fünften Ausführungsform sind die zwei Ven­ tile 505, 506 auf der stromabwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite des FC- Stapels 200 vorgesehen; es kann jedoch, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist, lediglich das Auslaßkanalventil 506 auf der stromabwärtigen Seite des FC-Stapels 200 ohne das Ein­ strömkanalventil 506 auf der stromabwärtigen Seite vorgesehen werden. Wenn bei dieser Konstellation Sauerstoff in dem FC-Stapel 200 in einem Zustand zirkuliert, bei dem das Ventil 506 geschlossen ist, bleibt ein mittlerer Druck in dem FC-Stapel 200 konstant und das wasserstoffreiche Gas wird nicht aus dem Wasserstoffgenerator 100 zugeführt. Daher werden die gleichen Effekte erzielt wie diejenigen, wenn die zwei Ventile auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite vorgesehen wer­ den.

Auch bei dieser Ausführungsform zirkuliert Wasserstoff in der Reihenfolge ge­ mäß FC-Stapel 200 → Wasserstoffauslaßkanal 506a → Wasserstoffzirkulierkanal 700 → Wasserstoffeinströmkanal 505a → FC-Stapel 200; jedoch kann der Wasserstoff auch in der umgekehrten Richtung zirkulieren.

Auch wird bei dieser Ausführungsform Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 in einem Zustand zirkuliert, bei dem beide Ventile 505, 506 geschlossen sind; jedoch ist der Ventilzustand nicht darauf beschränkt. Es können beide Ventile 505, 506 geöffnet werden, wenn Wasserstoff zirkuliert. In diesem Fall wird eine Strömungsgeschwindig­ keit des Wasserstoffes erzeugt, so daß Wasserstoff dazu neigt, in Berührung mit dem Polymerfilm und der Elektrode (negative Elektrode) in dem FC-Stapel 200 zu gelangen. Als ein Ergebnis kann das Eindringen von Wasserstoff in den Polymerfilm gefördert werden.

(Sechste Ausführungsform)

Eine sechste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Hinweis auf Fig. 14 erläutert, die die Umgebung der Brennstoffzelle 200 in dem Brennstoffzellen­ system zeigt. Bei der sechsten Ausführungsform wird im Vergleich mit dem Brenn­ stoffzellensystem der fünften Ausführungsform ein Teil des Wasserstoff enthaltenden Gases, welches durch den FC-Stapel 200 über den Wasserstoffzirkulationskanal 700 zirkuliert, selektiv ausgetragen. Der selektiv ausgetragene Teil besitzt eine niedrigere Wasserstoffkonzentration. Das Einströmkanalventil 505 ist in dem Wasserstoff­ einströmkanal 505a auf der stromabwärtigen Seite des FC-Stapels 200 nicht vorgesehen. Die gleichen Teile wie diejenigen bei der fünften Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Spezifisch gesagt ist, wie in Fig. 14 dargestellt ist, ein Wasserstoffsensor (eine Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit) 702 zum Detektieren der Wasserstoffkon­ zentration des Wasserstoff enthaltenden Gases, welches durch den FC-Stapel 200 zirku­ liert, an einem Verzweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffzirkulierkanal 700 vorgesehen. Eine Steuereinheit 703 ist ferner zu dem Zweck vorgesehen, um das Öffnen/Schließen des Auslaßkanalventils 506 basierend auf der Wasserstoffkonzentration, die durch den Wasserstoffsensor 702 detektiert wird, zu steuern.

Als nächstes wird der Betrieb des Wasserstoffsensors 702 und der Steuereinheit 703 in dem Brennstoffzellensystem der sechsten Ausführungsform im folgenden erläu­ tert.

Wenn zuerst das Wasserstoff enthaltende Gas durch den FC-Stapel 200 vermittels des Wasserstoffzirkulierkanals 700 zirkuliert, detektiert der Wasserstoffsensor 702 die Wasserstoffkonzentration des Wasserstoff enthaltenden Gases, welches durch den Ver­ zweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffzir­ kulierkanal 700 hindurch geht. Wenn die durch den Wasserstoffsensor 702 detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als eine dritte vorbestimmte Konzentration d3, öffnet die Steuereinheit 703 das Auslaßkanalventil 506. Wenn die durch den Wasserstoffsensor 702 detektierte Wasserstoffkonzentration größer ist als die dritte vorbestimmte Konzentration d3, so schließt die Steuereinheit 703 das Auslaß­ kanalventil 506.

Gemäß diesem Aufbau kann in dem Wasserstoff enthaltenden Gas, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert, derjenige Teil, der eine niedrigere Wasserstoffkonzentra­ tion hat, selektiv aus dem FC-Stapel 200 ausgetragen werden und die Wasserstoffkon­ zentration des Gases, welches durch den FC-Stapel 200 hindurch zirkuliert, kann hoch gemacht werden. Dies unterdrückt eine Verschlechterung der Energieerzeugungsfähig­ keit des FC-Stapels 200, verursacht durch die Abnahme in der Wasserstoffkonzentra­ tion.

(Siebte Ausführungsform)

Als nächstes wird eine siebte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf Fig. 15 erläutert, die die Umgebung des FC-Stapels 200 in dem Brennstoff­ zellensystem zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird im Vergleich zu dem Brennstoff­ zellensystem bei der fünften Ausführungsform ein Teil des Wasserstoff enthaltenden Gases, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert, über den Wasserstoffzirkulierkanal 700 selektiv ausgetragen. Der selektiv ausgetragene Teil besitzt eine niedrigere Wasser­ stoffkonzentration. Das Einströmkanalventil 505 ist in dem Wasserstoffeinströmkanal 505a nicht auf der stromabwärtigen Seite des FC-Stapels 200 vorgesehen. Die gleichen Teile wie diejenigen bei der fünften Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszei­ chen versehen.

Spezifisch ist, wie in Fig. 15 gezeigt ist, bei der siebten Ausführungsform eine Gastrenneinheit 704 an dem Verzweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffzirkulierkanal 700 vorgesehen. Die Gastrenneinheit 704 trennt selektiv Wasserstoff aus dem Wasserstoff enthaltenden Gas ab, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert und ist zusammengesetzt aus einem Wasserstoffseparati­ onsfilm (einem selektiven Permeationsfilm), der beispielsweise aus Polyimidfilm herge­ stellt ist.

Die Gastrenneinheit 704 teilt das Wasserstoff enthaltende Gas, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert, in Wasserstoff (erstes Gas) und in andere Gase (zweites Gas) auf. Dem Wasserstoff wird die Möglichkeit gegeben, in den Wasserstoffzirkulierkanal 700 zu strömen und die anderen Gase werden aus dem Wasserstoffauslaßkanal 506a ausgetragen. Demzufolge kann die Wasserstoffkonzentration des Wasserstoff enthalten­ den Gases, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert, groß gemacht werden und eine Verschlechterung der Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200, verursacht durch die Abnahme der Wasserstoffkonzentration, kann unterdrückt werden.

Bei dieser Ausführungsform ist die Gastrenneinheit 704 zu dem Zweck vorge­ sehen, um selektiv Wasserstoff aus dem Wasserstoff enthaltenden Gas abzutrennen, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert; diese Ausführungsform ist jedoch darauf nicht beschränkt. Eine Gastrenneinheit, die selektiv Wasserdampf abtrennen kann, kann zu dem Zweck vorgesehen sein, um eine Konzentration des Wasserdampfes in dem Wasserstoff enthaltenden Gas zu erhöhen, welches durch den FC-Stapel 200 zirkuliert. Die Erhöhung der Konzentration des Wasserdampfes in dem Wasserstoff enthaltenden Gas vereinfacht die Befeuchtung des Polymerfilms in dem FC-Stapel 200.

Das Brennstoffzellensystem kann mit einer Gastrenneinheit ausgerüstet werden, die zwei Funktionen besitzt, und zwar Abtrennen von Wasserstoff und Abtrennen von Wasserdampf, oder das System kann mit zwei Gastrenneinheiten ausgerüstet werden, die jeweils die Funktionen zum Abtrennen von Wasserstoff und zum Abtrennen von Wasserdampf besitzen, wenn Wasserstoff und Wasserdampf abgetrennt werden sollen.

(Achte Ausführungsform)

Als nächstes wird eine achte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf die Fig. 16 und 17 erläutert. Wie das Brennstoffzellensystem der siebten Ausführungsform besteht eine Aufgabe der achten Ausführungsform darin, eine Ver­ schlechterung der Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels zu verhindern, indem die Abnahme in der Wasserstoffmenge unterdrückt wird, die durch den Polymerfilm in den FC-Stapel 200 hindurch verläuft, wie dies einer Abnahme in der Wasserstoffkonzentra­ tion zugeschrieben werden kann.

Bei der achten Ausführungsform ist im Vergleich zu dem Brennstoffzellensystem der fünften Ausführungsform eine einen hin und her verlaufenden Strom erzeugende Einheit 800 zum Erzeugen einer Strömung des Wasserstoffs, die in dem FC-Stapel 200 hin und her verläuft, anstelle des Wasserstoffzirkulierkanals 700 zum Zirkulierenlassen des Wasserstoffes in dem FC-Stapel 200 vorgesehen. Die gleichen Teile wie diejenigen bei der fünften Ausführungsform, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Wie in den Fig. 16 und 17 gezeigt ist, besitzt das Brennstoffzellensystem der vor­ liegenden Ausführungsform die Erzeugungseinheit 800 zum Erzeugen der hin und her verlaufenden Strömung, die mit dem Wasserstoffauslaßkanal 506a auf der stromauf­ wärtigen Seite des Auslaßkanalventils 506 kommuniziert. Die Erzeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung oder Fluß besteht aus einer das Inhaltsvo­ lumen ändernden Kammer 800a mit einem änderungsfähigen Inhaltsvolumen und aus einem Antriebsteil 800b für die Steuerung des Inhaltsvolumens der das Inhaltsvolumen ändernden Kammer 800a. Die Erzeugungseinheit 800 für den hin und her verlaufenden Strom oder Strömung erzeugt eine Wasserstoffströmung, die in dem FC-Stapel 20 hin und her verläuft, und zwar durch Variieren des Inhaltsvolumens der das Inhaltsvolumen ändernden Kammer 800a. Bei der achten Ausführungsform wird ein Piezovibrator (piezoelektrisches Material), dessen Volumen durch eine angelegte Spannung geändert wird, als der Antriebsteil 800b verwendet.

Auf der gegenüberliegenden Seite des FC-Stapels 200 in bezug auf die Erzeu­ gungseinheit 800 für den hin und her verlaufenden Fluß oder Strömung, das heißt auf der stromabwärtigen Seite des Einströmkanalventils 505 in dem Wasserstoffeinström­ kanal 505a, ist eine Druckpufferkammer 801 vorgesehen, um die Variation in dem Wasserstoffdruck in dem FC-Stapel 200 zu puffern.

Bei dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem wird die Erzeugungseinheit 800 für die Erzeugung der hin und her verlaufenden Strömung in einem Zustand betrie­ ben, bei dem die zwei Ventile 505, 506 geschlossen sind. Demzufolge wird eine Wasserstoffströmung in dem FC-Stapel 200 erzeugt, so daß sie in einem Kanal in dem FC-Stapel 200 hin und her verläuft.

Da zu diesem Zeitpunkt beide Ventile 505, 506 auf der stromaufwärtigen Seite und auf der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 geschlossen sind, wird der Druck des Wasserstoffes in dem FC-Stapel 200 geändert, indem das Inhaltsvolumen der das Inhaltsvolumen ändernden Kammer 800a geändert wird. Wenn hierbei das Inhalts­ volumen der das Inhaltsvolumen ändernden Kammer 800a erhöht wird, wird Wasser­ stoff komprimiert, da kein Raum vorhanden ist, in den der Wasserstoff ausweichen kann. Als ein Ergebnis kann die Strömung des Wasserstoffes, die in dem FC-Stapel 200 hin und her verläuft, nicht effektiv in dem FC-Stapel 200 erzeugt werden.

In diesem Zusammenhang ist bei der achten Ausführungsform die Druckpuffer­ kammer 801 an der gegenüberliegenden Seite des FC-Stapels 200 in bezug auf die Er­ zeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung vorgesehen. Daher kann die Schwankung in dem Wasserstoffdruck in dem FC-Stapel 200 absorbiert werden, so daß die hin und her verlaufende Strömung des Wasserstoffes in sicherer Weise in dem FC-Stapel 200 erzeugt werden kann.

Somit kann gemäß dem Brennstoffzellensystem der achten Ausführungsform die Wasserstoffkonzentration einheitlich in dem FC-Stapel 200 gestaltet werden, indem eine hin und her verlaufende Strömung des darin befindlichen Wasserstoffes erzeugt wird und indem die Menge des Wasserstoffes, der durch den Polymerfilm dringt, an einer Abnahme auf Grund einer Abnahme der Wasserstoffkonzentration unterdrückt wird, wie dies auch bei der fünften Ausführungsform der Fall ist. In einer Konsequenz kann verhindert werden, daß die Energieerzeugungsfähigkeit des FC-Stapels 200 auf Grund der Abnahme der Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 verringert wird.

Da darüber hinaus der Wasserstoff in dem FC-Stapel 200 mit einer Strömungsge­ schwindigkeit hin und her verläuft, ist es einfacher für den Wasserstoff, den Polymer­ film zu kontaktieren und auch die Elektrode zu kontaktieren (negative Elektrode), die in dem FC-Stapel 200 vorhanden ist. Daher wird die Wasserstoffdurchdringung des Poly­ merfilms vereinfacht und es wird eine Abnahme in der Wasserstoffmenge, die den Polymerfilm durchdringt, unterdrückt.

Bei der achten Ausführungsform ist die Erzeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung auf der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 vorgese­ hen und die Druckpufferkammer 801 ist auf der stromaufwärtigen Seite von dem FC- Stapel 200 vorgesehen. Jedoch ist die Anordnung nicht darauf beschränkt. Die Erzeu­ gungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung kann auf der stromaufwärti­ gen Seite von dem FC-Stapel 200 positioniert werden und es kann die Druckpuffer­ kammer 801 auf der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 positioniert werden.

Der Antriebsteil 800b der Erzeugungseinheit für die hin und her verlaufende Strömung besteht bei dieser Ausführungsform aus einem piezoelektrischen Material; jedoch ist diese nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Kolben als Antriebsteil 800b vorgesehen werden, der eine hin und her verlaufende Bewegung in der das In­ haltsvolumen ändernden Kammer 800a ausführt. Ansonsten kann ein Balg als die das Inhaltsvolumen ändernde Kammer 800a verwendet werden, der ein Inhaltsvolumen be­ sitzt, welches durch einen externen Druck oder durch eine externe Kraft geändert wird, die durch den Antriebsteil 800b erzeugt wird, wie beispielsweise eine Nocke. Nebenbei bemerkt sind dann, wenn das piezoelektrische Material als Antriebsteil 800b wie bei der achten Ausführungsform verwendet wird, ein Lecken des Wasserstoffs und eine Materialverschlechterung weniger wahrscheinlich, und zwar verglichen mit anderen Fällen.

Auch verwendet die achte Ausführungsform die zwei Ventile 505, 506, die auf der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 vorgese­ hen sind. Wie jedoch in Fig. 18 gezeigt ist, kann lediglich das Auslaßkanalventil 506 auf der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 vorgesehen werden, und zwar ohne die Verwendung des Einströmkanalventils 505 auf der stromaufwärtigen Seite desselben. Auch in diesem Fall kann die Erzeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung entweder auf der stromabwärtigen Seite oder der stromabwär­ tigen Seite von dem FC-Stapel 200 positioniert sein.

Wenn die Erzeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung auf der stromabwärtigen Seite von dem FC-Stapel 200 angeordnet ist, braucht die Druck­ pufferkammer 800a nicht vorgesehen zu werden, da der Wasserstoffdruck zur strom­ aufwärtigen Seite des FC-Stapels 200 freigelassen werden kann bzw. ausweichen kann. Wenn die Erzeugungseinheit 800 für die hin und her verlaufende Strömung auf der stromaufwärtigen Seite des FC-Stapels 200 angeordnet ist, sollte die Druckpufferkam­ mer 801 in dem Wasserstoffauslasskanal 506a auf der stromabwärtigen Seite des FC- Stapels 200 vorgesehen werden.

Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Wasserstoffkonzen­ tration an einer Stelle in dem FC-Stapel 200 mit Hilfe des Wasserstoffsensors 601 de­ tektiert wird, können auch mehrere Wasserstoffsensoren in dem FC-Stapel 200 vorgese­ hen werden, um die Wasserstoffkonzentrationen an mehreren Stellen darin zu detektie­ ren. In diesem Fall wird die Steuerung hinsichtlich des Öffnungsvorganges und Schließvorganges des Ventils bzw. der Ventile 605 (505, 506) basierend auf den Wasserstoffkonzentrationen durchgeführt, die an den verschiedenen Stellen detektiert wurden. Wenn eine Variation oder Schwankung in der Wasserstoffkonzentration in dem FC-Stapel 200 auftritt, kann die Steuerung des oder der Ventile 506 (505, 506) exakt durchgeführt werden.

Bei der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform wird der Wasserstoffsen­ sor 702 als Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit verwendet, die direkt die Wasser­ stoffkonzentration des Wasserstoff enthaltenden Gases detektiert, welches in dem Ver­ zweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffzir­ kulierkanal 700 strömt. Es kann jedoch die Wasserstoffkonzentration auch indirekt detektiert werden, und zwar basierend auf einer physikalischen Größe, die auf die Was­ serstoffkonzentration in dem Verzweigungspunkt bezogen ist.

Beispielsweise können, wie anhand der zweiten und der dritten Ausführungsform erläutert wurde, andere Detektoreinheiten, wie beispielsweise ein Stromdetektor zum Detektieren der in dem FC-Stapel 200 erzeugten elektrischen Energie, ein Zeitgeber, der im voraus auf eine spezifische Zeitdauer in Relation zu der verbrauchten Wasserstoff­ menge in dem FC-Stapel 200 eingestellt wurde, und ein Drucksensor zum Detektieren eines Gasdruckes in dem FC-Stapel (negative Seite) 200 verwendet werden, um indirekt die Wasserstoffkonzentration in dem Wasserstoff enthaltenden Gas zu detektieren, wel­ ches in dem Verzweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffkommunikationskanal 700 strömt.

Es ist auch nicht immer erforderlich, daß die Wasserstoffkonzentration an dem Verzweigungspunkt zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoff­ kommunikationskanal 700 detektiert wird. Die Wasserstoffkonzentration kann an einer Stelle detektiert werden, die von dem Verzweigungspunkt abliegt, und zwar mit Hilfe eines Wasserstoffsensors, eines Drucksensors oder ähnlichem. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 703 unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit des Wasser­ stoff enthaltenden Gases, welches in dem FC-Stapel 200 zirkuliert, das Öff­ nen/Schließen des Auslaßkanalventils 506. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß eine Sekunde benötigt wird, damit das Wasserstoff enthaltende Gas von der Stelle, an der die Wasserstoffkonzentration detektiert wird, bis zu der Verzweigungsstelle zwi­ schen dem Wasserstoffauslaßkanal 506a und dem Wasserstoffkommunikationskanal 700 strömen kann, so wird das Auslaßkanalventil 506, nachdem eine Sekunde von dem Zeitpunkt an verstrichen ist, wenn die detektierte Wasserstoffkonzentration gleich wird mit oder kleiner wird als die dritte vorbestimmte Konzentration d3, geöffnet.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird die vorliegende Erfindung bei einem Elektrofahrzeug angewendet; die Erfindung ist jedoch darauf nicht be­ schränkt, sondern kann auch bei einem nicht transportfähigen häuslichen Brennstoff­ zellensystem und ähnlichem angewendet werden.

Obwohl der Wasserstoffgenerator 100 als eine Wasserstoffversorgungseinheit verwendet wird, um ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen, welches eine große Menge an Wasserstoff enthält, indem Brennstoff enthaltender Kohlenwasserstoff umgeformt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Alternativ kann ein Hoch­ druckwasserstofftank, ein Wasserstofftank, bei dem eine Wasserstoff absorbierende Legierung angewendet ist, oder ähnliches als die Wasserstoffzuführeinheit verwendet werden. Da in diesem Fall Fremdstoffe in dem Wasserstoff nicht enthalten sind, welcher dem FC-Stapel 200 zuzuführen ist, verbleiben Kohlendioxid und ähnliches auch nicht in dem FC-Stapel 200 zurück. Wenn daher die zwei Ventile 505, 506 wie bei der ersten Ausführungsform vorgesehen sind, kann das erste Wasserstoffventil 505 geschlossen werden, nachdem das zweite Wasserstoffventil 506 geschlossen worden ist.

Nebenbei bemerkt, wird bei dem Brennstoffzellensystem für das Elektrofahrzeug unter Druck stehender Wasserstoff dem FC-Stapel 200 zugeführt; es gibt jedoch bei einem nicht transportfähigen häuslichen Brennstoffzellensystem einen Fall, bei dem Wasserstoff dem FC-Stapel zugeführt wird, ohne daß dieser unter Druck gesetzt ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß das zweite Wasserstoffventil 506 geöffnet wird, nachdem das erste Wasserstoffventil 505 geöffnet worden ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Hinweis auf die vorangegangenen bevor­ zugten Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, ist es für Fachleute offensichtlich, daß Änderungen in der Form und im Detail vorgenommen werden kön­ nen, ohne jedoch dadurch den Rahmen der Erfindung, wie er in den anhängenden An­ sprüchen festgehalten ist, zu verlassen.

Claims (28)

1. Brennstoffzellensystem, mit:
einer Brennstoffzelle (200) zum Erzeugen von elektrischer Energie vermittels einer chemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff; und
einer Wasserstoffversorgungseinheit (100), die an die Brennstoffzelle angeschlos­ sen ist, um Wasserstoff der Brennstoffzelle zuzuführen, wobei
der Wasserstoff der Brennstoffzelle intermittierend in Einklang mit einer Wasser­ stoffmenge, die in der Brennstoffzelle verbraucht wird, zugeführt wird.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit:
einem ersten Ventil (505), welches auf einer Wasserstoffeinströmseite der Brenn­ stoffzelle vorgesehen ist, um einen Wasserstoffeinströmkanal (505a) zu öffnen und zu schließen, durch den der Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird;
einem zweiten Ventil (506), welches auf einer Auslaßöffnungsseite der Brenn­ stoffzelle vorgesehen ist, um einen Wasserstoffauslaßkanal (506a) zu öffnen und zu schließen, durch den ein restliches Gas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird; und
einer Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit (601), die dafür vorgesehen ist, um eine Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle zu detektieren, wobei:
das erste Ventil geöffnet wird, um den Wasserstoff der Brennstoffzelle zuzuführen, wenn die durch die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als eine erste Konzentration; und
das erste Ventil geschlossen wird, um die Zufuhr des Wasserstoffes zu der Brennstoffzelle anzuhalten, wenn die durch die Wasserstoffkonzen­ trationsdetektoreinheit detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder größer ist als eine zweite Konzentration, die größer ist als die erste Konzentration.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, bei dem:
die Wasserstoffversorgungseinheit aus einem Wasserstoffgenerator besteht, der ein wasserstoffreiches Gas, welches eine große Menge an Wasserstoff enthält, da­ durch herstellt, indem ein Brennstoff enthaltender Kohlenwasserstoff umgeformt wird; und
das zweite Ventil geöffnet wird, bevor das erste Ventil geöffnet wird, und ge­ schlossen wird, bevor das erste Ventil geschlossen wird.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Auslaßkanalventil (506), welches in einem Wasserstoffauslaß­ kanal (506a) vorgesehen ist, durch den ein Wasserstoff enthaltendes Gas in Form eines Abgases aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, wobei das Auslaßkanal­ ventil dazu dient, um den Wasserstoffauslaßkanal basierend auf der Wasserstoff­ menge, die in der Brennstoffzelle verbraucht wurde, zu öffnen und zu schließen.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4,
ferner mit einer Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit (601), die dafür vorge­ sehen ist, um eine Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle zu detektieren, wobei:
das Auslaßkanalventil geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle gleich ist mit oder kleiner ist als eine erste Kon­ zentration; und
das Auslaßkanalventil geschlossen wird, wenn die in der Brennstoffzelle detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder größer ist als eine zweite Konzentration, die größer ist als die erste Konzentration.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit aus einem Wasserstoffsen­ sor besteht, der die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle an wenigstens einer Stelle derselben detektiert.

7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit die Wasserstoffkonzentra­ tion basierend auf einer elektrischen Energie detektiert, die durch die Brennstoff­ zelle erzeugt wird.

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit aus einem Zeitgeber besteht, der auf eine spezifische Zeitdauer eingestellt ist, die auf die in der Brenn­ stoffzelle verbrauchte Wasserstoffmenge bezogen ist.

9. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, ferner mit einem Wasserstoffzirkulierkanalteil, welches in dieser einen Wasser­ stoffzirkulierkanal (700) bildet, der einen Wasserstoffeinströmkanal (505a), durch den Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einen Wasserstoffauslaß­ kanal auf einer stromaufwärtigen Seite von dem Auslaßkanalventil verbindet, während er die Brennstoffzelle umgeht, so daß das Wasserstoff enthaltende Gas, welches aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, zu der Brennstoffzelle über den Wasserstoffzirkulierkanal zurückgeleitet wird.

10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9,
ferner mit einem Einströmkanalventil (505), welches in dem Wasserstoffein­ strömkanal vorgesehen ist, um den Wasserstoffeinströmkarial zu öffnen und zu schließen, wobei:
der Wasserstoffzirkulierkanal den Wasserstoffauslaßkanal mit dem Wasserstoffeinströmkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Einström­ kanalventils verbindet.

11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10,
ferner mit einer Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit (702) zum Detektieren einer Wasserstoffkonzentration an einer Verzweigungsstelle zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal und dem Wasserstoffzirkulierkanal, wobei:
das Auslaßkanalventil geöffnet wird, wenn die durch die Wasserstoff­ konzentrationsdetektoreinheit detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Konzentration; und
das Einströmkanalventil geöffnet wird, wenn das Auslaßkanalventil ge­ öffnet wird.

12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit aus einem Wasserstoffsen­ sor besteht.

13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit die Wasserstoffkonzentra­ tion an der Verzweigungsstelle in indirekter Form basierend auf einer physika­ lischen Größe detektiert, die auf die Wasserstoffkonzentration bezogen ist.

14. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, ferner mit einer Wasserstoffzirkulierpumpe (701), die an dem Wasserstoffzirku­ lierkanal vorgesehen ist, um das Wasserstoff enthaltende Gas zu der Brennstoff­ zelle über den Wasserstoffzirkulierkanal zurückzuleiten.

15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, bei dem die Wasserstoffzirkulierpumpe betätigt wird, wenn das Auslaßkanalventil geschlossen wird.

16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, 10, 14 und 15,
ferner mit einer Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit (702) zum Detektieren einer Wasserstoffkonzentration an einer Verzweigungsstelle zwischen dem Wasserstoffauslaßkanal und dem Wasserstoffzirkulierkanal, wobei:
das Auslaßkanalventil geöffnet wird, wenn die durch die Wasserstoff­ konzentrationsdetektoreinheit detektierte Wasserstoffkonzentration gleich ist mit oder kleiner ist als eine vorbestimmte Konzentration.

17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit aus einem Wasserstoffsen­ sor besteht.

18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, bei dem die Wasserstoffkonzentrationsdetektoreinheit die Wasserstoffkonzentra­ tion an der Verzweigungsstelle in indirekter Form basierend auf einer physikali­ schen Größe detektiert, die auf die Wasserstoffkonzentration bezogen ist.

19. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 18, ferner mit einer Gastrenneinheit, die auf einer stromabwärtigen Seite der Brenn­ stoffzelle vorgesehen ist, um das Wasserstoff enthaltende Gas in ein erstes Gas aufzuteilen, welches zu der Brennstoffzelle über den Wasserstoffzirkulierkanal zurückgeleitet wird, und in ein zweites Gas aufzuteilen, welches aus dem Wasser­ stoffauslaßkanal ausgetragen wird.

20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, bei dem:
die Gastrenneinheit Wasserstoff selektiv von dem Wasserstoff enthaltenden Gas abtrennt; und
das erste Gas eine Wasserstoffkonzentration aufweist, die größer ist als diejenige des zweiten Gases.

21. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, bei dem:
die Gastrenneinheit Wasserdampf selektiv von dem Wasserstoff enthaltenden Gas abtrennt; und
das erste Gas eine Wasserdampfkonzentration besitzt, die größer ist als diejenige des zweiten Gases.

22. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, ferner mit einer Erzeugungseinheit (800) für eine hin und her verlaufende Strö­ mung, die an eine stromaufwärtigen Seite des Auslasskanalventils in dem Wasser­ stoffauslaßkanal angeschlossen ist, um eine Strömung des Wasserstoff enthalten­ den Gases in einer hin und her verlaufenden Weise in der Brennstoffzelle zu er­ zeugen.

23. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, bei dem die Erzeugungseinheit für die hin und her verlaufende Strömung die Strömung des Wasserstoff enthaltenden Gases in einer hin und her verlaufenden Weise in der Brennstoffzelle dann erzeugt, wenn das Auslasskanalventil geschlos­ sen wird.

24. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 22 und 23, bei dem die Erzeugungseinheit für die hin und her verlaufende Strömung eine das Inhaltsvolumen ändernde Kammer (800a) umfaßt, die ein änderungsfähiges Inhaltsvolumen besitzt, und einen Antriebsteil (800b) umfaßt, um das Inhalts­ volumen der das Inhaltsvolumen ändernden Kammer zu ändern.

25. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 24, bei dem der Antriebsteil aus einem piezoelektrischen Material mit einem Volumen gebildet ist, welches durch eine angelegte Spannung geändert wird.

26. Brennstoffzellensystem nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 8, ferner mit:
einer Erzeugungseinheit (800) für eine hin und her verlaufende Strömung, die an einen der Kanäle gemäß dem Wasserstoffeinströmkanal (505a), durch den Wasserstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, und dem Wasserstoffauslaßkanal angeschlossen ist, um eine Strömung des Wasserstoff enthaltenden Gases in einer hin und her verlaufenden Weise in der Brennstoffzelle zu erzeugen; und
einer Druckpufferkammer (801), die an einen anderen einen der Kanäle gemäß dem Wasserstoffeinströmkanal und dem Auslaßkanal angeschlossen ist, um die Schwankung in dem Wasserstoffdruck in der Brennstoffzelle zu puffern.

27. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26,
ferner mit einem Einströmkanalventil (505), welches in dem Wasserstoffein­ strömkanal vorgesehen ist, um den Wasserstoffeinströmkanal zu öffnen und zu schließen, wobei:
die Erzeugungseinheit für die hin und her verlaufende Strömung an einen der Ka­ näle gemäß dem Wasserstoffeinströmkanal auf einer stromabwärtigen Seite des Einströmkanalventils und gemäß dem Wasserstoffauslaßkanal an einer stromauf­ wärtigen Seite des Auslaßkanalventils angeschlossen ist.

28. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 26, bei dem die Erzeugungseinheit für die hin und her verlaufende Strömung die Strömung des Wasserstoff enthaltenden Gases in einer hin und her verlaufenden Weise in der Brennstoffzelle dann erzeugt, wenn das Auslaßkanalventil und das Einströmkanalventil geschlossen sind.