DE-102021109566-B4 - Brennstoffzellensystem

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Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel, einen Ejektor, einen Injektorsatz mit einem ersten Injektor, der dem Ejektor Brenngas zuführt, und einem zweiten Injektor, der parallel zu dem ersten Injektor angeordnet ist, der eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat, und der dem Ejektor das Brenngas zuführt, einen dritten Injektor, der Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels das Brenngas zuführt, eine Brenngaszuführeinrichtung, die das Brenngas dem ersten, dem zweiten und dem dritten Injektor zuführt, einen ersten Zuführströmungsweg, der die Brenngaszuführeinrichtung, den Injektorsatz, den Ejektor und den Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge verbindet, einen zweiten Zuführströmungsweg, der in einem Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Injektorsatz des ersten Zuführströmungsweges abzweigt, den Injektorsatz und den Ejektor umgeht, und an einer stromabwärtigen Position des Ejektors in den ersten Zuführströmungsweg einmündet, um die Zuführung des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, einen Zirkulationsströmungsweg, der das von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoffabgas zurückgewinnt und das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas zum Ejektor zurückführt, einen Temperaturdetektor, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels erfasst, und einen Controller, wobei der Ejektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels Mischgas, das das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, zuführt, und wobei der Controller in dem Fall, dass die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, von dem ersten Injektor auf den zweiten Injektor umschaltet und das Brenngas dem Ejektor zuführt, und der Controller das Brenngas von dem dritten Injektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt.

Inventors

Masaaki Matsusue

Assignees

TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI KAISHA

Dates

Publication Date: 20260507
Application Date: 20210416
Priority Date: 20200424

Claims (2)

Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel, einen Ejektor, einen Injektorsatz mit einem ersten Injektor, der dem Ejektor Brenngas zuführt, und einem zweiten Injektor, der parallel zu dem ersten Injektor angeordnet ist, der eine kleinere Brenngaseinspritzmenge als der erste Injektor hat, und der dem Ejektor das Brenngas zuführt, einen dritten Injektor, der Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels das Brenngas zuführt, eine Brenngaszuführeinrichtung, die das Brenngas dem ersten, dem zweiten und dem dritten Injektor zuführt, einen ersten Zuführströmungsweg, der die Brenngaszuführeinrichtung, den Injektorsatz, den Ejektor und den Brennstoffzellenstapel in dieser Reihenfolge verbindet, einen zweiten Zuführströmungsweg, der in einem Bereich zwischen der Brenngaszuführeinrichtung und dem Injektorsatz des ersten Zuführströmungsweges abzweigt, den Injektorsatz und den Ejektor umgeht, und an einer stromabwärtigen Position des Ejektors in den ersten Zuführströmungsweg einmündet, um die Zuführung des Brenngases vom dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, einen Zirkulationsströmungsweg, der das von den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels abgegebene Brennstoffabgas zurückgewinnt und das Brennstoffabgas als Zirkulationsgas zum Ejektor zurückführt, einen Temperaturdetektor, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels erfasst, und einen Controller, wobei der Ejektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels Mischgas, das das Brenngas und das Zirkulationsgas enthält, zuführt, und wobei der Controller in dem Fall, dass die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, von dem ersten Injektor auf den zweiten Injektor umschaltet und das Brenngas dem Ejektor zuführt, und der Controller das Brenngas von dem dritten Injektor den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels zuführt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei in dem Fall, in dem die von dem Temperaturdetektor erfasste Temperatur des Brennstoffzellenstapels der vorbestimmte Schwellenwert oder weniger ist, der Controller das Brenngas von dem ersten Injektor dem Ejektor zuführt und der Controller die Zuführung des Brenngases von dem zweiten Injektor zu dem Ejektor und von dem dritten Injektor zu den Brennstoffelektroden des Brennstoffzellenstapels stoppt.

Description

TECHNISCHES GEBIET Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem. HINTERGRUND Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die elektrische Leistung bzw. Strom durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff (H2), der als Brenngas dient, und Sauerstoff (O2), der als Oxidationsgas dient, in einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden auch einfach als „Stapel“ bezeichnet) erzeugt, der aus gestapelten Einheitsbrennstoffzellen (im Folgenden auch als Zellen bezeichnet) besteht. Im Folgenden können Brenngas und Oxidationsgas gemeinsam und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet werden. Im Allgemeinen bestehen die Einheitsbrennstoffzellen aus einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) und, falls erforderlich, zwei Separatoren, die die Membran-Elektroden-Anordnung sandwichartig umgeben. Die Membran-Elektroden-Anordnung hat eine solche Struktur, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge auf beiden Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran mit Protonen-(H+)-Leitfähigkeit (im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) ausgebildet sind. Im Allgemeinen haben die Separatoren eine solche Struktur, dass auf einer Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, eine Nut als Reaktionsgasströmungsweg gebildet ist. Die Separatoren fungieren als Kollektor für den erzeugten Strom bzw. die erzeugte Elektrizität. In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird der aus dem Gasströmungsweg und der Gasdiffusionsschicht zugeführte Wasserstoff durch die katalytische Aktivität der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff geht durch die Elektrolytmembran zur Oxidationselektrode (Kathode). Gleichzeitig wird ein Elektron erzeugt, das durch einen externen Stromkreis läuft, Arbeit verrichtet und dann zur Kathode geht. Der der Kathode zugeführte Sauerstoff reagiert mit dem Proton und dem Elektron an der Kathode und erzeugt dabei Wasser. Das erzeugte Wasser versorgt die Elektrolytmembran mit entsprechender Feuchtigkeit. Das überschüssige Wasser durchdringt die Gasdiffusionsschicht und wird dann nach außen abgeleitet. Es ist erforderlich, dass ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle umfasst, in der Brennstoffabgas, das redundanten Brennstoff von einer Brennstoffelektrode enthält, auf einer Brennstoffversorgungsseite zirkuliert und eine ausgezeichnete Brennstoffzirkulation in einem Gesamtbetriebsbereich von niedriger Last bis zu hoher Last gewährleistet ist. Beispielsweise offenbart die Patentliteratur 1 ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Ejektor-Bypassleitung und einem Controller zur Steuerung der Öffnung ausgestattet ist und diese in Abhängigkeit von einem Betriebslastzustand steuert. Die Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Bypassleitung und einem in der Bypassleitung angeordneten Pufferspeicher.Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung JP 2003- 151 593 APatentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung JP 2007- 242 476 A Während des Hochtemperaturbetriebs des Stapels steigt der Wasserdampf, der im Anodenabgas enthalten ist (aus dem Stapel entfernter Wasserdampf). Während des Hochtemperaturbetriebs ist es notwendig, das Austrocknen des Stapelinneren zu reduzieren. Dementsprechend muss während des Hochtemperaturbetriebs die Durchflussmenge des Anodenabgases, das vom Stapel aus dem System nach außen ausgetragen wird, reduziert werden. Selbst im Falle eines Brennstoffzellensystems mit einem Zirkulationsströmungsweg für die Zirkulation des Anodenabgases wird Wasserdampf aus dem Stapel abgeleitet und kondensiert in einem Gas-Flüssigkeits-Abscheider, der im Zirkulationsströmungsweg installiert ist, im Zirkulationsströmungsweg bei einer niedrigeren Temperatur als der Temperatur im Inneren des Stapels usw. Dementsprechend kann der gesamte im Anodenabgas enthaltene Wasserdampf nicht als Zirkulationsgas in den Stapel zurückkehren. Infolgedessen neigt das Innere des Stapels zum Austrocknen. Beim Brennstoffzellensystem der Patentliteratur 1 kann die Zirkulationsgasdurchflussmenge verringert werden, indem Brenngas aus der Ejektor-Bypassleitung in den Stapel eingeleitet wird und ein Rückflussphänomen zum Ejektor genutzt wird, das auf einen hohen Druckverlust am Eingang des Stapels zurückzuführen ist. Dementsprechend ist es möglich, die Menge des aus dem Stapel abgeführten Wasserdampfes zu reduzieren. Allerdings wird die Strömungsgeschwindigkeit des Zirkulationsgases, das vom Ejektor dem Stapel zugeführt wird, nicht berücksichtigt, und es ist manchmal schwierig, die Menge des aus dem Stapel entfernten Wasserdampfs basierend auf einem Anstieg der Stapel-Temperatur zu reduzieren, der mit einem Anstieg der Last verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem der Patentschrift 2 kann einen Anstieg des Drucks auf der Ejektorauslassseite reduzieren. Bei der Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems als Stromquelle eines Brennstoffzellenfahrzeugs (im Folgenden auch als „Fahr