DE69533215T2

DE69533215T2 - Polyelektrolytische Brennstoffzelle und Verfahren zur Betriebssteuerung

Info

Publication number: DE69533215T2
Application number: DE69533215T
Authority: DE
Inventors: Seiji Toyota-shi Mizuno
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-11-11
Filing date: 1995-11-08
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2015-11-09
Also published as: EP0911899A2; KR960019839A; US5939218A; KR0171207B1; EP0716463A2; DE69533215D1; EP0716463A3; EP0716463B1; EP0716463B9

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Polyelektrolytbrennstoffzelle, die in der Lage ist Leistung zu erzeugen, indem Brenngas veranlasst wird mit Sauerstoffgas mittels eines polyelektrolytischen Films zu reagieren.
Stand der Technik
Polyelektrolytbrennstoffzellen verwenden Kationenaustauschharzfilme als ihr Elektrolyt. Diese Kationenaustauschharzfilme enthalten eine Proton (Wasserstoffion) -austauschbasis in ihren Molekülen und sind leitend. Ihre Hydratisierung auf ein quasi gesättigtes Niveau führt zu einem relativen Widerstand von 20 Ω cm oder weniger bei Normaltemperatur, was es ihnen ermöglicht als ein leitender Elektrolyt zu wirken.
Die gesättigten Wasserinhalte dieses Polyelektrolytfilms ändern sich reversibel abhängig von der Temperatur. Um das Austrocknen des Polyelektrolytfilms zu verhindern, werden Brenngas und Oxidationsgas befeuchtet, bevor sie zugeführt werden. Ein Teil der Feuchtigkeit, die in dem Brenngas und dem Oxidationsgas enthalten ist, kondensiert manchmal, so dass Tropfen in den Gasleitungen gebildet werden. Während dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle werden Tropfen wie auch Wasser, welche durch die elektrochemischen Reaktionen auf der Seite der Sauerstoffelektrode erzeugt werden, nach außen abgeleitet. Wenn allerdings die Menge des Wassers, die auf der Seite der Sauerstoffelektrode erzeugt wird, die des Wassers überschreitet, das durch das Oxidationsgas entfernt wird, bleibt es in der Sauerstoffgasleitung in Form von Tropfen, und Tropfen, die auf der Sauerstoffelektrode bleiben, führen zu dem sogenannten "Fluten".
Dieses Fluten ist ein Zustand, in dem Tropfen auf der Fläche (insbesondere einer Verteilungsschicht) der Elektroden verbleiben, was die Verteilung von Gas auf die Elektrodenfläche behindert. Im Falle geringen Flutens, wenn Wasserinhalte relativ klein sind, nimmt die Ausgangsspannung proportional zu einer Abnahme der Elektrodenfläche, die durch das auf ihr verbleibende Wasser verursacht wird, ab. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich, dass Luft, die durch die Sauerstoffgasleitung fließt, Feuchtigkeit entfernt und jegliches Fluten dadurch beseitigt, und dass sich somit die Ausgangsspannung natürlich wiederherstellt. Wenn eine große Tropfenmenge auf der Fläche der Elektroden bleibt oder sich jedes Mal ein Fluten entwickelt, wenn Wasser in der Sauerstoffleitung verbleibt, wird die Elektrodenfläche, die noch für Gas frei ist, wesentlich verringert. Somit verhindern geflutete Zellen die Zufuhr des Oxidationsgases zu den Sauerstoffelektroden, was einen starken Abfall ihrer Spannung verursacht, was wiederum die Leistung aller Zellen auf einen nicht ausreichenden Pegel verringert.
Ferner wird in einem fortgeschrittenen Zustand des Flutens nicht nur die Zufuhr von Oxidationsgas zu den Sauerstoffelektroden erschwert, was einen Spannungsabfall verursacht, sondern ein Abfall der Sauerstoffmenge, die die Sauerstoffelektroden erreicht, verursacht Protonen (H⁺), die durch einen Polyelektrolytfilm hindurchgetreten sind, nicht mit dem Sauerstoff auf der Seite der Sauerstoffelektrode zu reagieren, und sich mit Elektronen (e–) zu rekombinieren, um in ihre Ursprungsform des Wasserstoffgases (H₂) zurückzukehren. Demzufolge nimmt die Masse des Wasserstoffgases rasch zu und dieses Wasserstoff gas vermischt sich mit Sauerstoffgas, das durch die Sauerstoffgasleitung fließt. Somit nimmt die Konzentration des Wasserstoffgases, das von dieser Mischung herrührt, zu, bis zu einem leicht entzündbaren Pegel, was zu einer Detonation führt. Die Gasmischung kommt manchmal in Kontakt mit einer Reaktionskatalyseschicht, die auf der Fläche der Sauerstoffelektrode ausgebildet ist und entzündet sich und brennt intensiv.
Der Mechanismus des Entflammens in dieser Brennstoffzelle wird nachstehend Bezug nehmend auf die 12 bis 14 näher beschrieben. 12 ist eine Zeichnung, die den Mechanismus des Mischens des Wasserstoffgases auf der Kathodenseite zeigt, während 13 ein Querschnitt einer herkömmlichen Brennstoffzelle ist, in der eine Mehrzahl von Einheitszellen, die aufrecht stehen, horizontal gestapelt sind. 14 ist ein Prozessflussdiagramm, das mit der Erzeugung von Wasserstoffgas beginnt und dem Entflammen endet.
Wie in 12 und 13 gezeigt, umfasst eine Einheitszelle 1a einer Polyelektrolytbrennstoffzelle 1, eine Anode 3, mit einer Reaktionskatalyseschicht 3a und einer Gasverteilungsschicht 3b auf der linken Seite des Elektrolytfilms 2 und eine Kathode 4 mit einer Reaktionskatalyseschicht 4a und einer Gasverteilungsschicht 4b auf der rechten Seite des Films 2. Außerhalb der Anode 3 ist ein Karbonstromabnehmer 5, der gleichzeitig als ein Gastrenner dient, bereitgestellt, und auf der Seite dieses Karbonstromabnehmers 5 gegenüber der Gasverteilungsschicht 3b ist eine Mehrzahl von parallelen Brenngaskanälen 5a ausgebildet, und in jedem Brenngaskanal 5a zirkuliert ein Brenngas, das heißt Wasserstoffgas. Außerhalb der Kathode 4 ist ein Karbonstromabnehmer bereitgestellt, der gleichzeitig als ein Gasteiler wirkt, und auf der Seite dieses Karbonstromabnehmers 6 gegenüber der Gasverteilungs schicht 4b sind ein Mehrzahl von parallelen Oxidationsgaskanälen 6a ausgebildet (in der Zeichnung ist nur der vorderste Kanal 6a dargestellt).
Wenn diese Brennstoffzelle 1 betrieben wird und die Oxidationsgaskanäle 6a auf der Seite der Kathode 4 mit Sauerstoff (O₂) angereicherter Luft versorgt werden, findet auf der Seite der Anoden 3 die Reaktion H₂ = 2H⁺ + 2e^– statt, und auf der Kathodenseite die Reaktion 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O
Anders ausgedrückt bildet auf der Anode 3 Wasserstoffgas (H₂), das in dem Brenngaskanal 5a fließt, Protonen (2H⁺) und Elektronen (2e^–) aus. Protonen bewegen sich durch den Elektrolytfilm 2, welcher ein Ionenaustauschfilm ist, in Richtung der Kathode 4, und Elektronen gehen durch eine externe Schaltung (nicht dargestellt) von einem Karbonstromabnehmer 5 auf der Seite der Anode 3 in Richtung des Karbonstromabnehmers 6 auf der Kathodenseite 4.
Und auf der Kathode 4 reagieren Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die in dem Oxidationsgaskanal 6a fließt, Protonen, die sich von der Anode 3 in den elektrolytischen Film 2 bewegt haben und Elektronen, die sich über externe Schaltungen bewegt haben, miteinander, um Wasser (H₂O) auszubilden.
Daher fließt Wasser W, das so in dem Oxidationsgaskanal 6a gebildet wurde, in jeder Einheitszelle 1a der in Schichten ausgebildeten Brennstoffzelle unter Einwirkung der Schwerkraft hinab und wird zusammen mit dem über schüssigen Oxidationsgas von der Ablasssammelleitung 7, die mit dem unteren Ende des Oxidationsgaskanals 6a jeder Einheitszelle 1a der in Schichten ausgebildeten Brennstoffzelle verbunden ist, nach außen abgelassen.
Da Wasser somit in jeder Einheitszelle 1a der in Schichten ausgebildeten Brennstoffzelle den Oxidationsgaskanal 6a hinunterläuft, um in der Ablasssammelleitung 7 zusammenzulaufen, neigt Wasser W auf der Auslassseite der Ablasssammelleitung 7 (rechte untere Seite in 13) zunehmend dazu in der Nähe des Ablasses zu stagnieren. Und wenn Wasser W in der Nähe des Ablasses der Ablasssammelleitung 7 in einer Einheitszelle 1a stockt, in der das untere Ende des Oxidationsgaskanals 6a für dieses stockende Wasser offen gehalten wird, wird die Ableitung nicht korrekt vorgenommen, und das führt zu einer Stagnation des Wassers W in dem Oxidationsgaskanal 6a. Demzufolge wird die Kathode 4 überschwemmt, was zu einem Fluten der Gasverteilungsschicht 4b und der Reaktionskatalyseschicht 4a führt und der Verteilung des Sauerstoffgases zu dieser Reaktionskatalyseschicht 4a entgegensteht. Daher wird in einer Einheitszelle 1a, in der Wasser W in dem Oxidationsgaskanal 6a reibungslos abgelassen wird, Sauerstoffgas der Kathode 4 in ausreichender Menge zugeführt. Demzufolge findet die Reaktion 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e^– = H₂O statt, und kein Wasserstoffgas (H₂) wird ausgebildet (siehe die obere Hälfte des Oxidationsgaskanals 6a in 12).
Eine durchgängige Anwendung des Stroms in dem Zustand, in dem das Wasser W in dem Oxidationsgaskanal 6a stockt, führt zu einer unzureichenden Versorgung der Kathode 4 mit Sauerstoffgas, was zu einem Abfall der Span nung führt, die von der Gesamtbrennstoffzelle 1 erhalten wird. Gleichzeitig treten keine Reaktionen auf, die H₂O in der Einheitszelle 1a ausbilden, und Protonen (2H⁺), die einen Elektrolytfilm 2 durchdrungen haben, und Elektronen (2e^–) werden rekombiniert. Demzufolge wird Wasserstoffgas (H₂) in diesem Oxidationsgaskanal 6a ausgebildet. (Siehe untere Hälfte des Oxidationsgaskanals 6a von 12).
Und Wasserstoffgas (H₂), das von einer nicht ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff auf Grund eines nicht angemessenen Ablasses des Wassers W herrührt, steigt in dem Oxidationsgaskanal 6a jeder Einheitszelle 1a an und sammelt sich auf der Versorgungsseite der Sammelleitung 8, die in einer Weise angeschlossen ist, dass sie die Zufuhr von Oxidationsgas an das obere Ende des Oxidationsgaskanals 6a jeder Einheitszelle 1a ermöglicht. Es sammelt sich insbesondere eine große Menge an der Ablassseite der Ablasssammelleitung 7 in der Nähe des am weitesten entfernten Endes stromabwärts der Versorgungssammelleitung 8 oberhalb der Einheitszellen 1a, mit denen das untere Ende der Oxidationsgaskanäle 6a verbunden ist (rechts oben in 13). Demzufolge nimmt Wasserstoffgas, das in der Versorgungssammelleitung 8 stockt, allmählich zu, und wenn seine Konzentration 4% überschreitet, dient die Reaktionskatalyseschicht 4a der Kathode 4 als eine Entzündungsquelle und Wasserstoffgas wird dadurch entflammt.
Somit erhöht das Entflammen des Wasserstoffgases in dem Kanal des Reaktionsgases in der Brennstoffzelle 1 den Druck in dem Kanal, und Schwankungen der Versorgung des Reaktionsgases und andere Faktoren könnten zu einer Instabilität der erzeugten Spannung führen. In Polyelektrolytzellen, die bei Normaltemperatur betrieben werden, könnten insbesondere Hitze und ansteigender Druck, die von dem Entflammen herrühren, Schwankungen bei der erzeugten Spannung auslösen und nachteilige Wirkungen auf Dichtungen und andere Teile der Einheitszelle 1a des Brennstoffzellenstapels erzeugen.
Daher ist es notwendig jede Zunahme der Konzentration des Wasserstoffgases zu steuern/regeln, so dass es nicht intensiv abbrennen kann, und aus diesem Grund ist es notwendig flutendes Wasser im Anfangsstadium zu entfernen und soweit wie möglich jedwede Entwicklung in Richtung eines Zustandes massiver Erzeugung von Wasserstoffgas zu zügeln.
In einer Brennstoffzelle, bei der Wasserstoffgas als ein Brenngas, wie oben beschrieben, verwendet wird, ist das Fluten der Sauerstoffelektroden mit Wasser eine Ursache der Zunahme der Konzentrationen des Wasserstoffgases in den Sauerstoffkanälen. Daher ist in der japanischen Patentanmeldung Offenlegungsnummer 45-144934 die Fließgeschwindigkeit des Reaktionsgases periodisch, um die Druckdifferenz des Reaktionsgases in dem Reaktionsgaskanal zu erhöhen, und die in dem Reaktionsgaskanal verbleibenden Tropfen werden eliminiert. Die Anpassung eines solchen Verfahrens ermöglicht es, das Blockieren der Gaskanäle mit Tropfen zu verhindern, oder anders ausgedrückt, das Fluten zu verhindern, um einer Zunahme der Konzentration von Wasserstoffgas auf der Seite der Sauerstoffelektroden auf Grund des Blockierens der Kanäle zu verhindern und somit ein mögliches Entflammen des Wasserstoffgases zu verhindern.
Allerdings wird in der herkömmlichen Brennstoffzelle, die oben erwähnt wurde, in der der Fluss des Reaktionsgases regelmäßig erhöht wird, um die Tropfen in den Gasleitungen auszustoßen, selbst in Fällen, in denen dies nicht erforderlich ist, die Fließgeschwindigkeit des Reaktions gases erhöht. Demzufolge nimmt, wenn die Fließgeschwindigkeit des Reaktionsgases zunimmt, um eine ausreichende Druckdifferenz zum Entfernen der Tropfen zu erzeugen, der Verbrauch an Reaktionsgas zu, und infolge der Schwankungen der Fließgeschwindigkeit des Reaktionsgases schwankt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf komplexe Weise. Ferner kann im Falle einer abrupten Zunahme der Wassermenge innerhalb einer Brennstoffzelle dieses Wasser nicht vollständig abgelassen werden und das stockende Wasser in dem Kanal verursacht ein Fluten bei Entwicklung und Fortschritt. Somit ist es sehr wahrscheinlich, dass keine Maßnahme getroffen werden konnte, um eine starke Zunahme der Wasserstoffgasmenge, die sich auf der Sauerstoffelektrodenseite entwickelte, zu verhindern.
In der oben beschriebenen Polyelektrolytbrennstoffzelle war es notwendig, die Entflammung im Innern zu verhindern, in anderen Worten zu verhindern, dass das Oxidationsgas sich in dem Brenngaskanal mischt, und zu verhindern, dass das Brenngas sich in den Oxidationsgaskanal mischt, oder früh das so vermischte Gas zu entfernen, um das Entflammen zu verhindern.
Daher wurden bisher verschiedene Erfindungen getätigt, um z. B. effizient Wasser zu entfernen und sein Stocken zu verhindern, um zu verhindern, dass sich Wasserstoffgas entwickelt und sich in den Oxidationsgaskanälen einer Brennstoffzelle mischt (siehe z. B. japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 5-251097).
Das Stand-der-Technik-Dokument "Proceedings of the 24th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference", Band 3, 189, Seiten 1587–1591, Lawrence et al "Proton Exchange Membrane Fuel Cell Development" bezieht sich auf eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle in autonomen Unterwasserfahrzeugen und ein Testsystem für eine derartige Brennstoffzelle, die nicht für langlebige Anwendungen verwendet wird. Die Brennstoffzelle weist eine Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen auf, die in der Lage sind elektrische Leistung durch Verursachen chemischer Reaktionen zwischen dem Brenngas und einem Oxidationsgas durch eine Protonenaustauschmembran zu erzeugen. Die Brennstoffzelle wird nicht befeuchtet.
Dokument EP 0073044 A2 legt eine Brennstoffzellenbatterie vom Typ Säureelektrolyt offen, die eine Einrichtung zum Steuern der Fließgeschwindigkeit der Luft an eine Oxidationselektrode in einer Menge umfasst, um Wasser vollständig zu entfernen, das auf der Oxidationselektrode ausgebildet ist.
Allerdings wurde bisher kein Versuch unternommen, das Entflammen zu verhindern, das von der Erzeugung und dem Mischen von Gas in Brennstoffzellen herrührt.
Darüber hinaus beschreibt die japanische Patentanmeldung Offenlegungsnummer 4-167236 eine Brennstoffzellenausrüstung mit Zellstapeln, eine Reaktionsgasrohrleitung, die entworfen ist, um Reaktionsgas dorthin zuzuführen und von dort zu entfernen, ein Zellgehäuse und ein Umgebungsgassystem. Bei dieser Erfindung sind die Zellstapeln in einem Zellgehäuse untergebracht, das mit Umgebungsgas gefüllt ist, eine Reaktionsgasrohrleitung ist an diese Zellstapeln angeschlossen und ein Umgebungsgassystem ist an das Zellgehäuse angeschlossen. In dieser Brennstoffzellenausrüstung wird allerdings das Reaktionsgas (brennbare Komponente), das von den Zellstapeln ausgetreten ist und in das Umgebungsgas untergemischt ist, entfernt indem selbiges in dem Zellgehäuse abgebrannt wird, bevor es mit dem Umgebungsgas abgelassen wird. Aus diesem Grund ermöglicht der Stand der Technik, der in dieser offengelegten Patentanmeldung beschrieben ist, nicht z. B. das Brenn gas, das sich in den Oxidationsgaskanal gemischt hat, innerhalb einer Brennstoffzelle zu entfernen.
Kurzfassung der Erfindung
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, jedweden möglichen Abfall der Ausgangsspannung der Polyelektrolytbrennstoffzelle auf Grund von Fluten zu verhindern und jedwede explosive Verbrennung des Brenngases innerhalb einer Polyelektrolytbrennstoffzelle zu verhindern.
Daher wird die Polyelektrolytbrennstoffzelle dieser Erfindung mit einer Einrichtung zum Ändern der Bedingungen des Zuführens von Oxidationsgas, wenn mindestens einer der vorliegenden Faktoren von der Toleranz abweicht, ausgestattet: die Ausgangsspannung und der interne Widerstand einer Mehrzahl von gestapelten Zellen oder die Feuchtigkeit des Oxidationsgases das abgelassen wird.
Genauer gesagt wird, wenn die Ausgangsspannung abgenommen hat, wenn der interne Widerstand abgenommen hat oder wenn die Feuchtigkeit des Ablassgases zugenommen hat, die Strömungsgeschwindigkeit des Oxidationsgases erhöht oder dessen Druck wird erhöht oder die Feuchtigkeit des Oxidationsgases wird verringert. Demzufolge werden die Wasserinhalte in der Zelle entfernt, was das Fluten verhindert und jedwede Abfälle der Ausgangsspannung, die daraus resultieren. Ferner wird die Erzeugung von Wasserstoffgas in den Kanälen des Oxidationsgases verringert.
Darüber hinaus verwendet diese Erfindung eine Kammer, die zu den Kanälen für das Oxidationsgas führt, und einen Zünder, der entworfen wurde, um das brennbare Gas, das darin enthalten ist, zu entzünden und selbiges zu verbrennen. Wenn die Konzentration des Brenngases, das in dem Oxidationsgas untergemischt ist, zugenommen hat, kann die Gasmischung daher in der Kammer gesammelt werden, um dort zu verbrennen und somit jedwede mögliche Entflammung in der Zelle und jedwede mögliche Beschädigungen der Zelle zu verhindern.
Da darüber hinaus die Polyelektrolytbrennstoffzelle dieser Erfindung mit einer Verbrennungskatalyse ausgestattet ist, die irgendwo in dem Oxidationsgaskanal angeordnet ist, wird Brenngas, das in das Oxidationsgas gemischt ist, durch die Katalyse oxidiert, und demzufolge wird die Konzentration des Brenngases in dem Oxidationsgas auf niedrigem Niveau gehalten.
Obige und andere Aufgaben und neue Merkmale der Erfindung werden durch die vorliegende detaillierte Beschreibung klarer, wenn selbige in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung gelesen wird. Es sollte ausdrücklich verstanden werden, dass die Zeichnung illustrativen Zwecken dient und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung dienen soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Zeichnung eines Beispiels der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm, das den allgemeinen Aufbau des Systems unter Verwendung dieser Brennstoffzelle zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Teil eines Flussdiagramms zeigt, das eine Regelroutine beschreibt, die in dem oben beschriebenen System ausgeführt wird.
4 ist ein Flussdiagramm, das einen anderen Teil des Flussdiagramms zeigt, das oben erwähnt wurde.
5 ist ein Diagramm, das ein Spannungsverhalten eines Brennstoffzellensystems zeigt, das fortlaufend durch das Regelsystem betrieben wird, das oben erwähnt wurde.
6 ist ein Diagramm, das das Ergebnis von Funktionstests mit variablem Strom zeigt, die ausgeführt wurden, um den Punkt der abrupten Zunahme des Wasserstoffgases, das auf Grund des Flutens erzeugt wird, zu studieren.
7 ist ein Diagramm, das das Ergebnis der kontinuierlichen Tests mit gleich bleibendem Strom zeigt, die ausgeführt wurden, um den Punkt der abrupten Zunahme des Wasserstoffgases, das auf Grund des Flutens erzeugt wird, zu studieren.
8 ist eine Querschnittsdraufsicht, die einen Teil (Einheitszelle) der Brennstoffzelle einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die diese Brennstoffzelle zeigt.
10 ist eine Querschnittsdraufsicht, die eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung zeigt.
11 ist eine Querschnittsansicht, die die Brennstoffzelle von 10 zeigt.
12 ist eine Zeichnung, die den Mechanismus des Mischens des Wasserstoffgases in der Sauerstoffelektrode einer herkömmlichen Brennstoffzelle zeigt.
13 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Brennstoffzelle, die die Position des Stockens und des Entflammens des Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle zeigt.
14 ist ein Flussdiagramm des Prozesses, das mit der Erzeugung beginnt und mit dem Entflammen des Wasserstoffgases in der herkömmlichen Brennstoffzelle endet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachstehend wird zunächst der Aufbau der Polyelektrolytbrennstoffzelle dieser Erfindung beschrieben. In 1 umfasst der Brennstoffzellenstapel 11 eine Mehrzahl von Einheitszellen 11a, die aufrecht stehen und horizontal gestapelt sind. Jede Einheitszelle 11a umfasst einen Polyelektrolytfilm 12 mit einer Brennstoffelektrode, die auf einer Seite ausgebildet ist (auf der linken Seite in 1) mit einer Sauerstoffelektrode, die auf der anderen Seite ausgebildet ist, und einem Karbonstromabnehmer 15, der gleichzeitig als ein Gasseparator dient, mit Brenngaskanälen 13, die horizontal auf einer Seite ausgebildet sind und Oxidationsgaskanälen 14, die vertikal ausgebildet sind, eine Mehrzahl von Brenngaskanälen 13 und Oxidationsgaskanälen 14 ist mit einer Tiefe und Breite von ungefähr einem Millimeter in Abständen von ungefähr einem Millimeter ausgebildet. Und eine Mehrzahl von Einheitszellen 11a sind gestapelt durch Aufeinanderschichten von Polyelektrolytfilmen 12 zwischen diesen Brenngaskanälen und Oxidationsgaskanälen 14.
Ein ende des Brenngaskanals 13, das in einem Stapel der Einheitszellen 11a ausgebildet ist, ist mit der Versorgungssammelleitung für Brenngas (nicht dargestellt) verbunden, und das andere Ende ist mit der Ablasssammel leitung für Brenngas verbunden (nicht dargestellt). Das obere Ende des Oxidationsgaskanals 14 jeder Einheitszelle 11a ist mit der Versorgungssammelleitung 16 für Oxidationsgas verbunden und das untere Ende ist mit der Ablasssammelleitung 17 für Oxidationsgas verbunden. Und das gesamte System ist so aufgebaut, um sicherzustellen, dass Sauerstoffgas, das in der Luft enthalten ist, die als Oxidationsgas den Oxidationsgaskanälen 14 durch die Oxidationsgassammelleitung 16 zugeführt wird, und Wasserstoffgas, das als Brenngas den Brenngaskanälen 13 durch die Ablasssammelleitung für Brenngas zugeführt wird, einen elektrochemischen Prozess der Oxidationsreaktion durch den Polyelektrolytfilm 12 beginnen.
Es sollte beachtet werden, dass für diesen Polyelektrolytfilm 12 ein fluoritischer Kationenaustauschfilm mit einer Dicke von 130 Mikrometer verwendet wird, auf dessen Fläche Elektroden mittels Warmpressen ausgebildet werden. Die Elektroden sind aus einem Basismaterial aus Karbonfasern (0,3 mm dick) hergestellt, auf dessen Fläche eine Katalysereaktionsschicht und eine Gasverteilungsschicht aufgeschichtet sind. Diese Elektroden sind auf der Fläche des fluoritischen Kationaustauschfilms, der oben erwähnt worden ist, unter den Bedingungen von 120°C × 980.7 × 10⁴ Pa (Pascal) warm gepresst. Die Katalysereaktionsschicht ist aus einem Material hergestellt, das durch Mischen von Pt 20% Trägerkarbon 0,4 mg/cm² und einem Kationenaustauschharz auf eine Weise erhalten wird, dass der Anteil des Trägerkarbons 50% ausmacht, während die Gasverteilungsschicht aus einem Material basierend auf Karbon mit 50% Tetrafluorethylen hergestellt ist, das mit diesem Tetrafluorethylen behandelt ist, um Wasser abweisend zu wirken.
Die oben erwähnte Versorgungssammelleitung 16 für Oxidationsgas ist an einer Schräge der Decke, die zur Mitte hin ansteigt, ausgebildet und an der Spitzenmitte ist eine Kammer 18 ausgebildet. Mit anderen Worten wird Wasserstoffgas in den Oxidationsgaskanälen automatisch in dieser Kammer 18 gesammelt, und ein Zünder 19, der ausgelegt ist, um das so gesammelte Wasserstoffgas zu entzünden, ist in der Kammer 18 vorgesehen. Für diesen Zünder 19 wird ein Modell, das Wasserstoffgas mittels Funkenentladung entzündet, gewählt.
In dem wie oben aufgebauten Brennstoffzellenstapel 11 wird, um den Polyelektrolytfilm 12 jeder Einheitszelle 11a bis hin zur Sättigung hydratisiert zu halten, so dass er als ein Protonen leitender Elektrolyt mit einem relativen Widerstand von 20 Ω cm oder weniger dienen kann, Wasserdampf jeweils in das Wasserstoffgas, das durch die Brenngaskanäle 13 zugeführt wird, und die Luft, die durch die Oxidationsgaskanäle 14 zugeführt wird, gemischt, um den Polyelektrolytfilm 12 feucht zu halten.
Wenn Luft mit Sauerstoff (O₂) in den Oxidationsgaskanälen 14 zugeführt wird, findet an den Brennstoffelektroden auf der Seite der Brenngaskanäle 13 die Reaktion von H₂ = 2H⁺ + 2e und auf den Sauerstoffelektroden auf der Seite der Oxidationsgaskanäle 14 tritt die Reaktion auf 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e = H₂O
Anders ausgedrückt wird auf der Seite der Brennstoffelektroden Wasserstoffgas (H₂), das durch die Brenngaskanäle 13 fließt, in Protonen (H⁺) und Elektronen (e) ionisiert. Die ionisierten Protonen bewegen sich durch einen Polyelektrolytfilm 12, welcher ein Ionenaustauschfilm ist, in Richtung der Sauerstoffelektrode, und die Elek tronen bewegen sich von dem Karbonstromabnehmer 15 auf der Brennstoffelektrodenseite zu dem Karbonstromabnehmer 15 auf der Sauerstoffelektrodenseite durch Hindurchtreten durch eine externe Schaltung (nicht dargestellt). Und auf der Sauerstoffelektrode reagieren Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die durch den Oxidationsgaskanal 14 fließt, Protonen, die durch den Polyelektrolytfilm 12 von der Brennstoffelektrode gewandert sind, und Elektronen, die durch die externen Schaltungen gewandert sind, miteinander, um Wasser (H₂O) auszubilden.
Der allgemeine Aufbau des Brennstoffzellenerzeugungssystems, das den Brennstoffzellenstapel, der oben erwähnt wurde, enthält, ist in 2 in Form eines Blockdiagramms gezeigt. Zwischen den Ausgangsanschlüssen 21 und 22 des Brennstoffzellenstapels 11 ist eine Last L über einen Relaiskontakt 20 angeschlossen, und gleichzeitig ist eine Computerregelvorrichtung 23, die dazu ausgelegt ist, den Betrieb der Brennstoffzelle zu regeln, parallel zu der Last L, die oben erwähnt wurde, angeschlossen. Diese Computerregelvorrichtung 23 überwacht konstant die Ausgangsspannung und den Strom des Brennstoffzellenstapels 11. Gleichzeitig verbindet sie eine Wechselstromquelle zwischen den zwei Ausgangsanschlüssen 21 und 22, die oben erwähnt wurden, um eine Wechselspannung der Gleichstromspannung hinzuzufügen, die von dem Brennstoffzellenstapel 11 ausgegeben wird, um den Wechselstrombestandteil i zu erfassen, der in dem Strom enthalten ist, der in den Einheitszellen fließt, und um einen Wechselstromwiderstand z über die Formel z = e/i herauszufinden.
In dem Brennstoffzellenstapel 11 ist an dem Zufuhrseitenende der Versorgungssammelleitung 16 des Oxidationsgases (am linken Ende in 2) ein Ende einer Oxidationsgasversorgungsrohrleitung 25, dessen anderes Ende an einen Luftlieferanten 27 angeschlossen ist, ange schlossen. An die Zufuhrseite der Versorgungssammelleitung für Brenngas (nicht dargestellt) ist ein Ende der Brenngaszufuhrrohrleitung 26, dessen anderes Ende an einen Wasserstoffgaslieferanten 28 angeschlossen ist, angeschlossen. An dieser Oxidationsgaszuführrohrleitung 25 und der Brenngaszuführrohrleitung 26 sind von der Seite des Luftlieferanten 27 und des Wasserstoffgaslieferanten 28, die oben erwähnt wurden, Druckregelventile 29 und 29a, Mengenflussregler 30 und 30a, Befeuchter 31 und 31a, Schließventile 32 und 32a und Thermometer/Hygrometer 33 und 33a in dieser Reihenfolge vorgesehen.
Auf der rechten Seite von 2, die den Brennstoffzellenstapel 11 zeigt, sind eine Brenngasablassrohrleitung 34, die mit der Ablassseite der Ablasssammelleitung für Brenngas verbunden ist, nicht dargestellt, und eine Oxidationsgasablassrohrleitung 35, die mit der Ablassseite der Ablasssammelleitung 17 für Oxidationsgas verbunden ist, bereitgestellt. An dieser Brenngasablassrohrleitung 34 und Oxidationsgasablassrohrleitung 35 sind Thermometer/Hygrometer 36 und 36a, Kühlrohre 37 und 37a und Druckregelventile 38 und 38a in dieser Reihenfolge von der Sammelleitungsseite hier vorgesehen. Und die Temperatur/Feuchtigkeitsinformation der Gase, die durch die Thermometer/Hygrometer 33 und 33a gemessen wird, die jeweils an der Oxidationsgasversorgungsrohrleitung 25 und der Brenngasversorgungsrohrleitung 26 vorgesehen sind, und von den Thermometern/Hygrometern 36 und 36a, die jeweils an der Oxidationsgasablassrohrleitung 34 und der Brenngasablassrohrleitung 35 an den jeweiligen Positionen vorgesehen sind, werden konstant in die Computerregelvorrichtung eingegeben.
Und wenn die Ausgangsspannung, der Strom und der interne Widerstand des Brennstoffzellenstapels 11 und die Information, die von den Thermometern/Hygrometern 33, 36 bereitgestellt wird, zusammen den Beginn des Flutens in dem Brennstoffzellenstapel 11 anzeigen, gibt die Computerregelvorrichtung 23 Signale an die Befeuchter 31 und 31a und weitere Ausrüstung an der Oxidationsgasversorgungsrohrleitung 25 und der Brenngasversorgungsrohrleitung 26 und die Druckregelventile 38 und 38a und weitere Ausrüstung an der Oxidationsgasablassrohrleitung 34 und der Brenngasablassrohrleitung 35 aus, um jedwede Abfälle bei der Ausgangsspannung und jedwede mögliche Entwicklung des Flutens zu regeln.
Es folgt eine Beschreibung der Regelroutine. 3 und 4 sind ein Flussdiagramm, das ein Beispiel davon darstellt. Diese Flussdiagramme sind zwei Abschnitte eines Flussdiagramms, die der leichteren Darstellbarkeit halber geteilt sind, und die eingekreisten Zahlen zeigen, dass die Linien mit gleichen Zahlen miteinander verbunden sind.
Nach den Anfangseinstellungen in Schritt 1 wird die Luftversorgungsmenge A so eingestellt, dass das Verhältnis von Luftzugbrenngas (A/F-Verhältnis) 4 sein wird, und bei Schritt 2 wird der Luftdruck PA auf 14,7 × 10⁴ Pa eingestellt. Und bei Schritt 3 wird die Befeuchtungsmenge auf einen vorbestimmten Wert eingestellt. Das rührt von der Verwendung der Luft als Oxidationsgas her, was eine Kompensation eines niedrigen Teildruckes des Sauerstoffs in der Luft benötigt.
Nachdem der Brennstoffzellenstapel 11 unter den Bedingungen betrieben wird, die oben gegeben sind, und die Ausgangsspannung VC der Einheitszelle 11a in Schritt 4 gelesen wird, wird die Ausgangsspannung VC und der Minimalwert Vmin der Normalspannung verglichen. Wenn ein Ergebnis dieses Vergleichs VC ≤ Vmin ist, wird angenommen, dass Sauerstoff nicht ausreichend vorhanden ist. Daher wird bei Schritt 6 die Menge der Luftzufuhr erhöht, bis das Verhältnis Luft zu Brenngas "8" erreicht (= A/F). Ferner wird bei Schritt 7 der Druck der Luftzufuhr PA auf 19,2 × 10 Pa erhöht. Und bei Schritt 8 wird der Betrag der Befeuchtung verringert (Betrag der Befeuchtung –Δ). Daher entspricht Schritt 5 der Einrichtung zur Erfassung in dieser Erfindung, und Schritt 6 bis 8 entsprechen der Einrichtung zur Regelung der Versorgung mit Oxidationsgas in dieser Erfindung.
Und der Brennstoffzellenstapel 11 wird unter dieser Bedingung betrieben und bei Schritt 9 wird die Feuchtigkeit des Ablassgases, die von dem Thermometer/Hygrometer 36 an dem Auslass der Ablasssammelleitung für Oxidationsgas angezeigt wird, eingefügt.
Dann werden bei Schritt 10 der Strom I und die Spannung V, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben werden, eingefügt, und bei Schritt 11 wird der Wert des internen Widerstandes ZIN, oder [Wechselspannung e/Wechselstrom i] gesucht. Und bei Schritt 12 werden die Feuchtigkeit des Ablassgases M und sein Referenzwert M0 verglichen und der interne Widerstand ZIN und sein Referenzwert Z0 werden ebenso verglichen. Wenn als Ergebnis dieser Vergleiche herausgefunden wird, dass die Feuchtigkeit des Ablassgases M kleiner gleich dem Referenzwert M0 ist (M ≤ M0), oder wenn der interne Widerstand ZIN größer gleich dem Referenzwert Z0 ist (ZIN ≥ Z0), wird beurteilt, dass der Prozentsatz an Feuchtigkeitsgehalt des Polyelektrolyts 12 abgenommen hat und dass der Widerstand zugenommen hat, und bei Schritt 13 wird der Befeuchtungsbetrag erhöht (Betrag der Befeuchtung +Δ). Anders ausgedrückt wird der Befeuchtungszurücksetzsteuerschalter eingeschaltet, um übermäßige Trockenheit des Polyelektrolyten 12 zu verhindern. Dann kommt Schritt 17.
Andererseits wird, als Ergebnis des Vergleichs der Ausgangsspannung VC und des Minimalwerts Vmin der Normalspannung bei Schritt 5, wie oben beschrieben, wenn die Ausgangsspannung größer ist (VC > Vmin) der Betrag an zugeführter Luft als ausreichend erachtet, und bei Schritt 14 wird das Verhältnis Luft-Brenngas bei "4" beibehalten, und bei Schritt 15 wird der Druck der Luftversorgung PA auf 14,7 × 10 Pascal beibehalten. Dann wird bei Schritt 16 der Befeuchtungsbetrag auf dem vorbestimmten Wert beibehalten und es wird mit Schritt 17 fortgefahren.
Bei dem oben erwähnten Schritt 12 wird als Ergebnis des Vergleichs der Feuchtigkeit des Ablassgases M und des internen Widerstandes ZIN mit ihren jeweiligen Referenzwerten M0 und Z0, wenn M > M0 oder ZIN > Z0, der Befeuchtungsbetrag als angemessen erachtet und dann folgt Schritt 17.
Und bei Schritt 17 sendet die Computerregelvorrichtung 23 Signale an die Durchflussmengenregler 30 und 30a, um den Betrag an Luft, die zugeführt wird, zu regeln, so dass letztere gleich einem erneut eingestellten Wert ist. Dann werden bei Schritt 18 Signale an die Druckregelventile 29 und 38a gesendet, um den Druck der Luftzufuhr zu regeln, so dass letzterer gleich einem erneut eingestellten Wert ist. Und bei Schritt 19 werden Signale an den Befeuchter 31 gesendet, um das Verhältnis von Oxidationsgas, das durch den Befeuchter 31 hindurchgetreten ist, zu dem, das durch ein Umgehungsrohr 31b hindurchgetreten ist, zu regulieren, so dass der Befeuchtungsbetrag gleich einem erneut eingestellten Wert ist.
Bei Schritt 20 werden die Ausgangsspannung VC und die Grenze der Betriebsspannung Vlimit verglichen, und wenn die Ausgangsspannung größer ist (VC > Vlimit), so wird das Gesamtsystem als adäquat betrieben erachtet, und kehrt dann zu Schritt 4 zurück, wo die oben beschriebenen Regelschritte wiederholt werden.
Andererseits wird als ein Ergebnis des Vergleichs der Ausgangsspannung VC und der Grenze der Betriebsspannung Vlimit (ungefähr 0,12 Volt) bei Schritt 20, wie oben beschrieben, wenn die Ausgangsspannung VC kleiner gleich der Grenze der Betriebsspannung Vlimit ist, erachtet, dass eine Anomalie aufgetreten ist. Und bei Schritt 21 werden Signale an das Ventil 32a gesendet, das an der Wasserstoffgasversorgungsrohrleitung 26 vorgesehen ist, um das Ventil 32a zu schließen und die Versorgung mit Brenngas zu beenden. Und bei Schritt 22 wird die Relaisspule 22a eingeschaltet, um den Relaisschalter 20 zu öffnen, was die Leistung zu der Last L abschneidet.
Nun zündet die Computerregelvorrichtung 23 den Zünder 19 (Schritt 23), um einen Funken in der Kammer 18 der Versorgungssammelleitung 16 für das Oxidationsgas zu erzeugen, wobei das in der Kammer 18 gesammelte Wasserstoffgas verbrannt wird.
Daher führt in dem Betriebsverfahren, das durch die oben beschriebene Regelroutine gezeigt wurde, ein Abfall der Ausgangsspannung VC auf einen Pegel unterhalb der Referenzspannung Vmin zu Änderungen in der Menge der zugeführten Luft, des Drucks und der Feuchtigkeit der Luft, die als Oxidationsgas dient, das jeglichen weiteren Abfall der Ausgangsspannung verhindert. Anders ausgedrückt beschleunigt eine Zunahme des Betrags der zugeführten Luft die Verteilung des Sauerstoffs auf der Fläche der Elektroden, was die Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff verbessert und so die Erzeugungskapazität der Brennstoffzelle erhöht. Eine Zunahme des Feuchtigkeitsgehalts, der von der Luft weg transportiert wird, dient dazu überschüssige Feuchtigkeit auf der Fläche der Elektro den zu verringern, was die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff beschleunigt und daher die Erzeugungskapazität der Zelle erhöht. Und ein höherer Luftdruck erhöht den Teildruck des Sauerstoffs auf die Fläche der Elektroden, was gleichfalls die Verteilung des Sauerstoffs auf der Fläche der Elektroden beschleunigt, und die sich ergebende Zunahme der Reaktion des Sauerstoffs mit dem Wasserstoff erhöht die Erzeugungskapazität der Brennstoffzelle.
Zusätzlich zu dieser Regelung ermöglicht ein Abfall des Feuchtigkeitsgehalts des Oxidationsgases allmählich jedwede überschüssige Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle graduell zu verringern, die die Ursache eines Abfalls der Ausgangsspannung zu sein scheint. Demzufolge wird die Ausgangsspannung unmittelbar oder graduell wiederhergestellt, und eine plötzliche Erzeugung von Wasserstoffgas auf Grund einer abfallenden Spannung kann rechtzeitig im Vorhinein verhindert werden.
5 ist ein Diagramm, das das Verhalten der Spannung zeigt, wenn der Brennstoffzellenstapel 11 kontinuierlich betrieben wird, um Elektrizität bei einer Stromdichte von 0,7 A/cm² mittels einer Operationssteuerung einer programmierten Computerregelvorrichtung 23 zu erzeugen. Wenn die Ausgangsspannung V der Einheitszellen 11a auf etwa 0,4 Volt, die untere Grenze der Normalspannung, auf Grund des Vorhandenseins von Tropfen auf der Gasverteilungsschicht der Sauerstoffelektroden abnimmt, wird die Masse der zugeführten Luft von A/F = 4 auf A/F = 8 erhöht, und der Druck der Luftzufuhr wird von PA = 14,7 × 10⁴ Pascal auf PA = 14,2 × 10⁴ Pascal erhöht, und der Befeuchtungsbetrag der zugeführten Luft wird zur trockenen Seite hin innerhalb eines Bereiches geregelt, der mit dem Bereich adäquater Werte im Einklang steht. Das veranlasst, dass die Masse an Sauerstoff, die den Sauerstoffelektroden zugeführt wird, zunimmt und ver anlasst, dass die Fähigkeit Feuchtigkeit in dem Sauerstoffgaskanal weg zu transportieren, sich verbessert. Somit wird jedwedes mögliches Fluten gelöst, bevor die Ausgangsspannung auf den Grenzwert der Betriebsspannung (0,12 V) abfällt und die Ausgangsspannung wird wiederhergestellt und bleibt innerhalb einem Bereich der Normalspannung. Somit wird verstanden werden, dass eine stabile Ausgangsspannung sichergestellt wurde.
Das Operationssteuerungsverfahren dieser Ausführungsform, wie es oben beschrieben wurde, erfasst jedwedes Fluten im Anfangsstadium der Entwicklung und ermöglicht es geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um solches Fluten aufzulösen. Daher verbessert es die Stabilität der Spannung während des Betriebs der Brennstoffzelle und ermöglicht es jede plötzliche Zunahme von Wasserstoffgas zu verhindern und ermöglicht es daher, die Verschlechterung der Leistung der Einheitszellen auf Grund der Hitze und des ansteigenden Druckes zu verhindern, die von der intensiven Verbrennung von Wasserstoffgas in der Brennstoffzelle herrühren.
Es sollte hier beachtet werden, dass die minimale Normalspannung Vmin von 0,4 V und die Grenze der Betriebsspannung Vlimit von ungefähr 0,12 V aus folgenden Gründen eingestellt wurden. Wenn Wasser, das in dem Oxidationsgaskanal 14 ausgebildet oder kondensiert ist, zunimmt und an der Gasverteilungsschicht der Sauerstoffelektroden anhaftet, wird die Versorgung der Sauerstoffelektroden mit Sauerstoff verschlechtert und das sogenannte Fluten tritt auf. Im Falle leichten Flutens wird der Effekt darauf begrenzt sein, dass eine Abnahme der Zufuhr von Sauerstoff zu den Sauerstoffelektroden eintritt und die Ausgangsspannung etwas verringert ist. Bei mehr ernst zu nehmendem Fluten allerdings ist die Gasverteilungsschicht vollständig mit Wasser bedeckt und die Reaktions katalyseschicht der Sauerstoffelektroden ist fast vollständig von der Versorgung mit Sauerstoff abgeschnitten. Daher rekombinieren Protonen, die zu den Sauerstoffelektroden gewandert sind, mit Elektronen, um Wasserstoffgas zu bilden. Es wurde herausgefunden, dass die Menge an Wasserstoffgas, das so gebildet wird, plötzlich ansteigt, wenn der Zustand des Flutens zu einem bestimmten Stadium fortschreitet und wenn die Ausgangsspannung verringert wird.
Um den Zustand des Flutens, in dem die Masse des gebildeten Wasserstoffgases plötzlich zunimmt, durch die Ausgangsspannung der Einheitszellen zu identifizieren, wurden Funktionstests mit variablem Strom und kontinuierliche Tests mit festgelegtem Strom der Einheitszellen durchgeführt. Als Ergebnis wurde herausgefunden, dass, wie in 6 und 7 gezeigt, wenn der Zustand des Flutens fortgeschritten ist und die Spannung abgeschwächter Einheitszellen auf kleiner gleich 0,12 V abgenommen hat, Wasserstoffgas stark zunimmt, um ein entflammbares Verhältnis der Mischung zu erreichen und sich bei Kontakt mit der Reaktionskatalyseschichtelektroden entzündet. Aus diesem Grund wurde in der oben beschriebenen Ausführungsform die Grenze der Betriebsspannung der Ausgangsspannung der Einheitszellen auf 0,12 V eingestellt.
Andererseits tendiert bezüglich der Abfälle in der Ausgangsspannung, die die Ursache für Fluten bildet, wenn die Ausgangsspannung beginnt um ein bestimmtes Maß zu fallen, wenn der Betrieb fortfährt, die Ausgangsspannung dahin, danach stark abzufallen. Daher muss jede Steuerung, um das Erreichen der Grenze der oben erwähnten Betriebsspannung zu verhindern, zu einer Zeit ausgeführt werden, wenn ein solch starker Abfall der Spannung nicht auftritt. Experimente zeigen, dass der Grenzwert für einen so starken Abfall der Spannung ungefähr 0,4 V für die Ausgangsspannung der Einheitszellen ist. Wie in 7 gezeigt, ist es möglich die Spannung wiederherzustellen und im Vorhinein eine plötzliche Erzeugung von Wasserstoffgas, die von den Abfällen der Spannung erzeugt wird, durch Regelung des Oxidationsgases basierend auf dieser Grenzspannung zu verhindern, wie oben erwähnt.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Bedingung zum Starten der Regelprozedur zum Erhöhen der Zufuhr von Oxidationsgas, zum Erhöhen des Druckes davon oder zum Verringern der Feuchtigkeit davon der Abfall der Ausgangsspannung VC auf kleiner gleich dem zuvor eingestellten Minimumwert der Spannung Vmin war. Das ist auf Grund der Tatsache so, dass die Ausgangsspannung VC den Zustand des Flutens wiedergibt. Allerdings gibt es andere Parameter, die den Zustand des Flutens wiedergeben. Zum Beispiel werden eine Zunahme des internen Widerstands und ein Anstieg der Feuchtigkeit des Ablassgases der Oxidationsgases als Parameter zum Identifizieren des Zustands des Flutens verwendet. Daher können in dieser Erfindung anstatt der Abfälle der Ausgangsspannung der Einheitszellen diese Zunahmen des internen Widerstands und der Feuchtigkeit des Ablassgases als die Basis zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit oder des Druckes des Oxidationsgases angepasst werden.
Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform, in der der Durchfluß, der Druck und die Feuchtigkeit des Oxidationsgases zusammen geregelt werden, können in dieser Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit oder der Druck getrennt geregelt werden oder eines dieser und die Feuchtigkeit können zusammen geregelt werden.
Um eine explosionsartige Verbrennung des Wasserstoffgases in dem Oxidationsgaskanal zu verhindern, ist es vorzuziehen zusätzlich zu der oben beschriebenen Einrichtung eine niedrige Konzentration an Wasserstoffgas in dem Oxidationsgaskanal zu entfernen und jedwede Zunahme dieser Konzentration zu verhindern. Ein Beispiel ist nachstehend gezeigt.
In den 8 und 9 weist die Brennstoffzelle 40 eine Mehrzahl von Einheitszellen 41 auf, die jeweils vertikal stehen und horizontal gestapelt sind, wobei jede Einheitszelle 41 einen Polyelektrolytfilm 42 auf einer Seite davon aufweist (auf der oberen Seite in 8) eine Anode (Brennstoffelektrode) 45 mit einer Katalysereaktionsschicht 43 und einer Gasverteilungsschicht 44 an ihrer Außenseite werden ausgebildet, und außerhalb dieser Anode 45 wird ein Karbonstromabnehmer 46, der gleichzeitig als ein Gasseparator dient, der aus einer gasdichten Platte hergestellt ist, in engem Kontakt bereitgestellt. Und auf der Fläche in engem Kontakt mit der Anode 45 des Karbonstromabnehmers 46 sind eine Mehrzahl von Kanälen für das Brenngas 47, in dem Wasserstoffgas (H₂) fließt, das als Brenngas dient, mit einer Tiefe von einem Millimeter, einer Breite von einem Millimeter und mit Abständen von einem Millimeter ausgebildet.
Auf der anderen Seite des Polyelektrolytfilms 42, der oben erwähnt wurde (untere Seite in 8), ist eine Kathode (Sauerstoffelektrode) 50 mit einer Katalysereaktionsschicht 48 und einer Gasverteilungsschicht 49 auf seiner Außenseite ausgebildet. Außerhalb von dieser Kathode 50 ist ein Karbonstromabnehmer 46, der gleichzeitig als Gasseparator dient und in Form einer Platte ausgebildet ist, in engem Kontakt ausgebildet. Und auf der Fläche in engem Kontakt mit der Kathode 50 des Karbonstromabnehmers 46 sind eine Mehrzahl von Oxidationsgaskanälen 52, in denen Luft, die als Oxidationsgas dient, in eine Richtung orthogonal zu der Richtung der Ausbildung der Brenn gaskanäle 47 fließt, die oben erwähnt wurden, ausgebildet, um eine Einheitszelle 41 zu bilden.
Und diese Einheitszelle 41 ist horizontal in einer Mehrzahl von Schichten gestapelt, so dass die Oxidationsgaskanäle 52, die oben erwähnt wurden, vertikal sein können und das obere Ende des Oxidationsgaskanals 52 in jeder gestapelten Einheitszelle 41 jeweils mit der Oxidationsgasversorgungsseitensammelleitung 53 verbunden ist, während das untere Ende jedes Oxidationsgaskanals 52 jeweils mit der Ablassseitensammelleitung 54 verbunden ist. Und die stromaufwärtige Seite und die stromabwärtige Seite jedes Brenngaskanals 47 sind, obwohl nicht dargestellt, mit der Versorgungsseitensammelleitung und der Ablassseitensammelleitung des Brenngases verbunden.
Es sollte ferner beachtet werden, dass der Polyelektrolytfilm 42, der oben beschrieben wurde, auf ähnliche Weise wie der Polyelektrolytfilm 42 der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ausgebildet ist.
Und die Innenwand jedes Oxidationsgaskanals 52, der in dem Karbonstromabnehmer 46 ausgebildet ist, ist mit Pt Katalyseträgerflüssigkeit beschichtet und imprägniert (z. B. Dinitrodiaminplatin, Hexaamineplatinchlorid, Chloroplatinsäurehexahydrat) zur Trägerbehandlung, um eine Verbrennungskatalyseschicht 55 auszubilden.
Die Funktionsweise der Brennstoffzelle 40, die oben erwähnt wurde, ist nachstehend beschrieben. Der Brenngaskanal 47 auf der Seite der Anode 45 wird mit Wasserstoffgas (H₂) versorgt. Und der Polyelektrolytfilm 42 wird bis zur Sättigung hydriert, um als ein Protonen leitender Elektrolyt mit dem relativen Widerstand kleiner gleich 20 Ω cm bei Normaltemperatur zu dienen, und zu diesem Zweck werden Wasserstoffgas, das durch den Brenngaskanal 47, und Luft, die durch den Oxidationsgaskanal 52 zugeführt wird, mit Dampf vermischt, um den Polyelektrolyt 42 feucht zu halten.
Wenn der Oxidationsgaskanal 52 und die Seite der Kathode 50 mit sauerstoffhaltiger Luft (O₂) versorgt wird, findet auf der Seite der Anode 45 die Reaktion statt H₂ = 2H⁺ + 2e und auf der Seite der Kathode 50 findet die Reaktion statt 1/2O₂ + 2H⁺ + 2e = H₂O
Anders ausgedrückt bildet auf der Anode 45 Wasserstoffgas (H₂), das durch den Brenngaskanal 47 fließt, Protonen (2H⁺) und Elektronen (2e). Protonen bewegen sich durch den Polyelektrolytfilm 42, der ein Ionenaustauschfilm ist, in Richtung der Kathode 50, und Elektronen bewegen sich von dem Karbonstromabnehmer 46 auf der Seite der Anode 45 durch eine externe Schaltung (nicht dargestellt) zu dem Karbonstromabnehmer 46 auf der Seite der Kathode 50.
Und auf der Kathode 50 reagieren Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die durch den Oxidationsgaskanal 52 fließt, Protonen, die sich durch den Polyelektrolytfilm 42 von der Anode 45 her bewegen und Elektronen, die sich durch eine externe Schaltung bewegt haben, miteinander, um Wasser auszubilden (H₂O).
Dann wurde, um die Wirkungsweise der Ausbildung einer Verbrennungskatalyseschicht 55 innerhalb des Oxidationsgaskanals 52 zu studieren das Oxidationsgas (Luft, O₂), in dem 1% des Wasserstoffgases (H₂) untergemischt wurde, von der Versorgungsseitensammelleitung 53 zugeführt, und die Konzentration von H₂, das in dem Ablassgas enthalten ist, das in der Nähe des Auslasses der Ablassseitensammelleitung 54 wiedergewonnen wurde, wurde mit einem Gaschromatographen gemessen. Demzufolge wurde bestätigt, dass die Konzentration auf unter 100 ppm (0,01%) verringert werden kann.
Daher wird in einer Brennstoffzelle 40, die in 8 und 9 gezeigt ist, selbst wenn das Wasserstoffgas in den Oxidationsgaskanal 52 auf Grund eines Ablassproblems des Wassers während des Betriebs gemischt ist, dieses bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht 55 oxidiert, die innerhalb des Oxidationsgaskanals 52 ausgebildet ist, was es ermöglicht, die Konzentration von H₂ konstant unterhalb der Untergrenze für Explosionen von 4% zu halten. Somit ist es möglich, nachteilige Effekte der Verbrennung bei Brennstoffzellen 40 zu eliminieren durch mildes Verbrennen bei normalem Druck, während die Konzentration von H₂ niedrig ist.
Es sollte in diesem Zusammenhang beachtet werden, dass in der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Fall des Ausbildens einer Verbrennungskatalyseschicht 55 innerhalb des Oxidationsgaskanals 52 beschrieben wurde. Allerdings erzeugt das Ausbilden einer Verbrennungskatalyseschicht 55 innerhalb der Zufuhrseitensammelleitung 53 und der Ablassseitensammelleitung 54, die mit dem Oxidationsgaskanal 52 verbunden sind, einen ähnlichen Effekt.
10 zeigt eine andere Ausführungsform, in der eine Brennstoffkatalyseschicht vorgesehen ist. In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde eine Verbrennungskatalyseschicht innerhalb des Oxidationsgaskanals ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird allerdings eine Verbrennungskatalyseschicht auf der Fläche der Ka thode ausgebildet, die dem Oxidationsgaskanal gegenüberliegt. Es sollte darüber hinaus beachtet werden, dass Komponenten, die mit denen in der oben beschriebenen Ausführungsform gleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und eine detaillierte Beschreibung davon hier weggelassen wird.
In 10 weisen Einheitszellen 61, die einen Teil der Brennstoffzelle ausbilden, eine Anode 45 mit einer Katalysereaktionsschicht 43 und eine Gasverteilungsschicht 44 auf einer Seite (obere Seite in 10) eines Polyelektrolytfilms 42 auf, und außerhalb dieser Anode 45 ist ein Karbonstromabnehmer 46 in engem Kontakt dazu vorgesehen. Ferner sind auf der Seite dieses Karbonstromabnehmers 46, der der Anode 45 gegenüberliegt, Brenngaskanäle vorgesehen. Auf der anderen Seite des zuvor beschriebenen Polyelektrolytfilms 42 wird eine Kathode 50 ausgebildet, die eine Katalysereaktionsschicht 48 und eine Gasverteilungsschicht 49 aufweist. Auf der Außenfläche dieser Kathode 50 ist eine Verbrennungskatalyseschicht 77 vorgesehen. Ferner ist außerhalb dieser Kathode 50 ein Karbonstromabnehmer 46 vorgesehen und auf der Seite dieses Karbonstromabnehmers 46, der der Kathode 50 gegenüberliegt, sind Oxidationsgaskanäle 52 ausgebildet.
Und die zuvor beschriebene Verbrennungskatalyseschicht 77 wird durch Beschichten eines Wasser abweisenden Mittels ausgebildet, das Tetrafluorethylen auf der Fläche des Karbon enthaltenden H₃Pt(SO₃)₂Ohsol hergestellt aus Hexahydroxinplatinsäure durch das Ruß-Kolloid-Verteilungsverfahren (Plototech-Verfahren).
Und das horizontale Stapeln von Einheitszellen 61, die wie oben beschrieben auf eine derartige Weise ausgebildet sind, dass die Oxidationsgaskanäle 52 vertikal ausgebildet sein können, wie sie es in der zuvor beschriebenen Ausführungsform waren, und die Verbindung der Sammelleitungen mit jedem der Gaskanäle, um die Brennstoffzelle auszubilden und der Betrieb derselben, wie er in der zuvor beschriebenen Ausführungsform war, stellen die erforderliche Erzeugungskapazität bereit.
Nun wurden, um die Effektivität des Verhinderns des Entzündens dieser Ausführungsform zu testen, Brenngas und Oxidationsgas von H₂/Luft (theoretisches Verhältnis × 2), beide vollständig befeuchtet mittels eines Rührwerks, in die Brennstoffzelle eingeführt, die durch Stapeln von Einheitszellen 61, wie sie zuvor beschrieben wurden, ausgebildet wird, um sie in einem hohen Stromdichtebereich (0,7 A/cm²) zu halten, in dem eine große Wassermenge ausgebildet wird, und in diesem Zustand wurde die Brennstoffzelle betrieben. Im Ergebnis war innerhalb von mehreren zehn Minuten kontinuierlichen Betriebs die Katalysereaktionsschicht 48 geflutet und die Reaktion schritt nicht zufriedenstellend fort. Daher fiel die Spannung momentan ab und H₂ entwickelte sich in dem Oxidationsgaskanal 52. Allerdings oxidierte bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht 77, die gegenüberliegend dem Oxidationsgaskanal ausgebildet wurde, H₂ augenblicklich. Somit war bestätigt, dass das Mischen einer großen Menge von H₂ in das Oxidationsgas verhindert werden kann.
Daher brennt gemäß dieser Ausführungsform, selbst wenn das Wasserstoffgas sich vermischt und in dem Oxidationsgaskanal 52 der Brennstoffzelle verbleibt, bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht 77, die auf der Fläche der Kathode 50 ausgebildet ist, das Wasserstoffgas, so dass die Konzentration von H₂ konstant kleiner gleich 4% gehalten werden kann, was die niedrigste Explosionsgrenze ist. Daher kann die milde Verbrennung bei normalem Druck, während die Konzentration von H₂ niedrig ist, jegliche nachteilige Effekte der Verbrennung der Brennstoffzelle entfernen. Es sollte beachtet werden, dass im Fall dieser Ausführungsform kein Kationenaustauschharz, das der Katalysereaktionsschicht 48 der Kathode 50 hinzugefügt ist, hinzugefügt werden muss, da keine Protonenleitfähigkeit notwendig ist.
Und obwohl in dieser Ausführungsform, wie sie zuvor beschrieben wurde, der Fall des Ausbildens der Verbrennungskatalyseschichten 57 und 77 entweder innerhalb des Oxidationsgaskanals 52 oder auf der Fläche der Kathode 50, die diesem Oxidationsgaskanal 52 gegenüberliegt, beschrieben wurde, ist es möglich selbige sowohl innerhalb des Kanals als auch auf der Fläche der Kathode 50 auszubilden.
11 zeigt eine andere Ausführungsform der Brennstoffzelle in Bezug auf diese Erfindung. In den zuvor beschriebenen zwei Ausführungsformen wurde die Verbrennungskatalyseschicht durch Beschichten oder Imprägnieren des Innern des Oxidationsgaskanals oder der Fläche der Kathode ausgebildet, während in dieser Ausführungsform Pellets, mit Verbrennungskatalysatoren in den Oxidationsgaskanälen vorgesehen sind. Es sollte ferner beachtete werden, dass die Komponenten, die mit denen identisch sind, die in der oben erwähnten Ausführungsform verwendet wurden, mit identischen Bezugszeichen bezeichnet werden und jede detaillierte Beschreibung davon weggelassen wird.
Eine Mehrzahl von Einheitszellen 81, die einen Teil der Brennstoffzelle 80 ausbilden, weisen Anoden (nicht dargestellt) auf, die einen Polyelektrolytfilm 42 mit einer Katalysereaktionsschicht und eine Gasverteilungsschicht auf der anderen Seite davon aufweisen. Außerhalb dieser Anode ist ein Karbonstromabnehmer 46 in engem Kon takt vorgesehen und auf der Fläche dieses Karbonstromabnehmers 46, der der oben erwähnten Anode gegenüberliegt, werden Brenngaskanäle 47 ausgebildet. Ferner ist auf der anderen Seite des Polyelektrolytfilms 42, der oben erwähnt wurde, eine Kathode (nicht dargestellt) mit einer Katalysereaktionsschicht und einer Gasverteilungsschicht vorgesehen. Auf der anderen Seite der Kathode ist ein Karbonstromabnehmer 46 vorgesehen und auf der Fläche dieses Karbonstromabnehmers 46, der der Kathode 50 gegenüberliegt, sind Oxidationsgaskanäle 52 ausgebildet.
Die Einheitszellen 81, die wie oben beschrieben ausgebildet sind, werden horizontal auf eine derartige Weise gestapelt, dass deren Oxidationsgaskanäle 52 vertikal sein können, und die stromaufwärtige Seite der Oxidationsgaskanäle (die Oberseite in 11) ist mit der Oxidationsgasversorgungsseitensammelleitung 53 verbunden und die stromabwärtige Seite (die Unterseite in 11) ist mit der Oxidationsgasversorgungsseitensammelleitung 53 verbunden. Und die stromaufwärtige und die stromabwärtige Seite der Brenngaskanäle 47, die oben erwähnt wurden und nicht gezeigt sind, werden jeweils mit der Versorgungsseitensammelleitung und der Ablassseitensammelleitung verbunden. Und in der Versorgungssammelleitung 53 für Oxidationsgas, die oben an der Brennstoffzelle 80 vorgesehen ist, sind Katalyseträgerpellets 87 (Abmessung: mehrere Quadratmillimeter oder weniger), hergestellt auf Basis eines porösen Trägers (Aluminium, Karbon, etc.), die Platin oder andere Katalysestoffe enthalten, auf solche Weise in die Versorgungsseitensammelleitung 53 gestreut, dass sie den Oxidationsgasfluss nicht behindern.
Und die Brennstoffzelle 80, die wie oben beschrieben aufgebaut ist und mit Wasserstoffgas in den Brenngaskanälen 47 und mit Luft in den Oxidationsgaskanälen 52 versorgt wird, und wie in dem Fall der oben beschriebenen Ausführungsform betrieben wird, erzeugt die benötigte Leistungserzeugungskapazität.
Nun wurden, um die Effektivität der Verhinderung der Entzündung bei dieser Ausführungsform zu testen, wie in der oben erwähnten Ausführungsform, Brenngas und Oxidationsgas mit H₂/Luft (theoretisches Verhältnis × 2), beide vollständig befeuchtet, mittels eines Rührwerks in die oben beschriebene Brennstoffzelle eingeführt, um sie in einem hohen Stromdichtebereich (0,7 A/cm²) zu halten, in dem eine große Wassermenge gebildet wird, und in diesem Zustand wurde die Brennstoffzelle betrieben. Im Ergebnis wurde innerhalb mehrerer zehn Minuten kontinuierlichen Betriebs die Katalysereaktionsschicht 48 geflutet und die Reaktion schritt nicht zufriedenstellend fort. Daher fiel die Spannung momentan ab und H₂ entwickelte sich in dem Oxidationsgaskanal 52. Allerdings bewegt sich H₂ in den Oxidationsgaskanälen 52 aufwärts und sammelt sich in der Versorgungsseitensammelleitung 53 und bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht 77, die gegenüberliegend dem Oxidationsgaskanal ist, oxidiert H₂ instantan. Somit wird bestätigt, dass das Mischen einer großen Menge von H₂ in Oxidationsgas verhindert werden kann.
Daher brennt gemäß dieser Ausführungsform, selbst wenn das Wasserstoffgas sich mischt und in dem Oxidationsgas stagniert, das in der Versorgungsseitensammelleitung 53 der Brennstoffzelle 80 enthalten ist, Wasserstoffgas bei Kontakt mit den Katalyseträgerpellets 87, so dass die Konzentration von H₂ konstant kleiner gleich 4%, der niedrigsten Explosionsgrenze, gehalten werden kann. Daher ermöglicht die milde Verbrennung bei normalem Druck während die Konzentration von H₂ niedrig ist, das Entfernen jedweder nachteiliger Effekte der Verbrennung auf die Brennstoffzelle.
Und während in der Brennstoffzelle 80 dieser Ausführungsform der Fall des Streuens der Katalyseträgerpellets 87 in die Versorgungsseitensammelleitung 53 beschrieben ist, kann die Befestigung dieser Katalyseträgerpellets 87 in die Ablassseitensammelleitung 54 oder in die Oxidationsgaskanäle 52 auf eine derartige Weise, dass dies nicht den Fluss des Gases beeinflussen würde, ähnliche Effekte erzeugen.
Ferner kann, während in jeder Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, das Entfernen des Wasserstoffgases, das durch seine Rekombination mit Protonen und Elektronen in der Oxidationsgaskanälen gebildet wurde und in das Oxidationsgas gemischt wurde, beschrieben ist, Wasserstoffgas, das in die Oxidationsgasrohrleitung auf Grund defekter Dichtungen hindurchgedrungen ist oder Oxidationsgas, das in die Brenngasrohrleitung eingedrungen ist, durch Befestigen von Verbrennungskatalysatoren an Stellen, an denen sie in Kontakt mit Gas in der Brennstoffzelle kommen können, entfernt werden. Daher kann nicht nur, wenn Wasserstoffgas sich auf Grund von Anomalien während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt, sondern auch während des Abgeschaltenseins, wenn kein Gas fließt, wenn Wasserstoffgas in einen dünnen Elektrolytfilm eingedrungen ist, um sich mit Sauerstoffgas zu vermischen, diese Verbrennungskatalyse effektiv Wasserstoffgas entfernen und die Entzündung innerhalb der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Flussbeginns verhindern.
Die durch die Erfindung erhaltenen Vorteile können wie folgt zusammengefasst werden:
Gemäß dem Operationssteuerungsverfahren der Polyelektrolytzellen dieser Erfindung ist es angesichts der Tatsache, dass Abfälle in der Ausgangsspannung auf Grund des Flutens und andere Phänomene zu einer Zunahme der Versor gung oder des Drucks des Oxidationsgases führen, möglich, die Zufuhr von Sauerstoff an die Fläche der Elektroden zu beschleunigen, um alle Abfälle der Ausgangsspannung zu verhindern, und demzufolge ist es möglich im Vorhinein plötzliche Erzeugung von Brenngas zu verhindern, die von einem starken Abfall der Ausgangsspannung herrührt. Wenn die Zufuhr von Oxidationsgas stark erhöht wird, kann das Verdampfen und Ablassen der überschüssigen Feuchtigkeit auf der Fläche der Elektroden, das Fluten erzeugt, beschleunigt werden, und somit kann Fluten zu einem frühen Stadium verhindert werden. Solche Effekte werden noch deutlicher, wenn die Feuchtigkeit des Oxidationsgases verringert wird.
Gemäß dieser Erfindung wird ferner, wenn das Brenngas beginnt plötzlich anzusteigen, das Gas in einer Kammer aufgefangen und mittels eines Zünders entzündet. Auf diese Weise kann die Verbrennung des Brenngases in der Brennstoffzelle und irgendwelche resultierenden Schäden an der Zelle verhindert werden.
Darüber hinaus ist die Brennstoffzelle dieser Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoffgas, das mit Oxidationsgas vermischt ist, bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht, die in dem Reaktionsgaskanal ausgebildet ist, mild in einem frühen Stadium verbrannt wird. Somit sind alle Zunahmen der Konzentration des Wasserstoffgases begrenzt und eine Entflammung in der Brennstoffzelle kann verhindert werden und eine stabile Leistung kann erhalten werden.
Und bei Kontakt mit der Verbrennungskatalyseschicht, die auf der Kathode ausgebildet ist, die dem Reaktionsgaskanal gegenüberliegt, brennt Wasserstoffgas, das untergemischt ist, mild in einem frühen Stadium, was jede Zunahme der Konzentration des Wasserstoffgases, die in das Oxidationsgas gemischt ist, begrenzt. Somit ist es möglich das Entflammen innerhalb der Brennstoffzelle zu verhindern und eine stabile Leistung zu erhalten.
Darüber hinaus ermöglichen Verbrennungskatalysatoren, die in der Reaktionsgasversorgungsseitensammelleitung und der Reaktionsgasablassseitensammelleitung untergebracht sind, die mit den Reaktionsgaskanälen verbunden sind, ein Abbrennen, das mild und in einem frühen Stadium der Wasserstoffgasstagnation in der Sammelleitung stattfindet, und dass jede Zunahme in der Konzentration des untergemischten Wasserstoffgases beschränkt wird. Somit ist es möglich das Entflammen innerhalb der Brennstoffzelle zu verhindern und eine stabile Leistung zu erhalten.

Claims

Ein System zum Erzeugen elektrischer Leistung, mit: einer befeuchteten Polyelektrolyt-Brennstoffzelle (11) mit einer Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen (11a), die in der Lage sind elektrische Leistung durch Verursachen von chemischen Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas durch einen Polyelektrolytfilm (12) zu erzeugen; einer Messeinrichtung (23, 24, 33, 36) zum Erfassen der Ausgangsspannung und des Innenwiderstands der Einheitszellen (5, 11); und einer Oxidationsgasversorgungsleitung (14), die an die Brennstoffzelle angeschlossen ist und eine Oxidationsgassteuervorrichtung (29, 30, 31, 38a) aufweist, die die Befeuchtung des Oxidationsgases steuert, das der Brennstoffzelle zugeführt wird; und einem Regler (23), der die Ausgangsspannung und den Innenwiderstand der Einheitszellen von der Messeinrichtung aufnimmt, die gemessenen Werte mit den vorbestimmten Werten vergleicht, und die Feuchtigkeit des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, verringert, um das Fluten zu verringern.
Das System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zusätzlich die Feuchte des Oxidationsgases erfasst.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsgassteuervorrichtung (30, 29, 31, 38a) eine Einrichtung zum Erhöhen des Drucks des Oxidationsgases enthält.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsgassteuervorrichtung (30, 29, 31, 38a) eine Einrichtung zum Erhöhen des Drucks des Oxidationsgases und zum Verringern der Feuchte des Oxidationsgases enthält.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kammer (18), die mit einem Oxidationsgasdurchgang verbunden ist, und an der höchsten Stelle positioniert ist, und ein Zünder (19), um das brennbare Gas innerhalb der Kammer zu entzünden, vorgesehen sind.
Das System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas Wasserstoffgas enthält.
Das System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen (32a) vorgesehen sind, um die Versorgung mit Brenngas auszusetzen bevor der Zünder betätigt wird.
Ein Betriebssteuerverfahren zum Erzeugen elektrischer Leistung in einem System mit einer Polyelektrolyt-Brennstoffzelle (11) mit einer Mehrzahl von gestapelten Einheitszellen (11a), die in der Lage sind elektrische Leistung durch Verursachen chemischer Reaktionen zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas durch einen Polyelektrolytfilm (12) zu erzeugen, mit den Schritten: Erfassen einer Ausgangsspannung und eines Innenwiderstands der Einheitszelle; Vergleichen der Ausgangsspannung und des Innenwiderstandes mit vorbestimmten Werten, und Verringern der Feuchte des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, um das Fluten zu verringern.
Das Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Schritt vorgesehen ist, um die Feuchte des Oxidationsgases zu erfassen.
Das Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Regelns der Eigenschaft des Oxidationsgases das Erhöhen des Drucks des Oxidationsgases enthält.
Das Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas das in dem Oxidationsgas untergemischt ist, gesammelt und entzündet wird, um verbrannt zu werden.
Das Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung mit Brenngas ausgesetzt wird, bevor das Gas entzündet wird.