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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
und ein Verfahren zum Steuern desselben, und bezieht sich insbesondere auf
ein Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellensystem und ein Verfahren
zum Steuern desselben.
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Es
wurde vorgeschlagen, eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
zu verwenden, die eine Polymermembran als ein Elektrolyt verwendet.
Die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
ist vorteilhaft gegenüber
Brennstoffzellen, die ein flüssiges
Elektrolyt verwenden dahingehend, dass das Elektrolyt nicht nach
außen
ausströmt,
und dass sie als Energiequelle in Kraftfahrzeugen in hohem Maße geeignet
erscheinen. Bei der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle funktioniert
die Polymermembran, die als Elektrolyt dient, nicht vollständig als
Ionenleiter, außer wenn
die Polymermembran mit Feuchtigkeit in einem bestimmten Ausmaß gesättigt ist.
Um diese Situation zu überwinden,
wurde vorgeschlagen, Wasserstoffgas mit Feuchtigkeit einem Brennstoffzellenpaket
zuzuführen,
wie in der
japanischen Patentanmeldung Veröffentlichung
Nr. H7-263010 (
JP
07263010 A ) offenbart ist.
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In
dem Fall, dass Feuchtigkeit der Polymermembran während der Arbeitsweise der
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle zugeführt wird, wird jedoch bewirkt,
dass Feuchtigkeit in der Polymermembran in einer übermäßigen Menge
verbleibt unter den Bedingungen, dass die Brennstoffzelle mit einem
unter-stöchiometrischen
Verhältnis
betrieben wird. Dadurch verbleibt überschüssige Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle,
verringert die elektrische Leistungsabgabe, die durch bestimmte
Brennstoffzellen erzeugt werden, mit einem daraus resultierenden
Problem, das in der Arbeitsleistung der Brennstoffzelle begründet ist.
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Um
eine solche Situation zu überwinden
ist es eine wirksame Praxis, sofort überschüssiges Wasserstoffgas, das
nicht in der Brennstoffzelle reagiert, aus dieser mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit
abzulassen und die Feuchtigkeit mit dem überschüssigem Wasserstoffgas aus der
Brennstoffzelle zu spülen.
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Bei
einem Spülprozess
der Feuchtigkeit ist es denkbar, den Betriebsdruck eines Brennstoffzellenpaketes
zu erhöhen,
um augenblicklich die Strömungsgeschwin digkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen
ist, zu erhöhen.
Es ist jedoch zu beachten, daß eine
augenblickliche Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit des
Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket abzulassen ist,
um Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket durch Erhöhen des
Betriebsdrucks des Brennstoffzellenpaketes zu entfernen, ein Erhöhen eines
elektrischen Leistungsverbrauches bewirkt der für die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle unerwünscht ist,
bei der die Absicht besteht, sie als Energiequelle für ein Kraftfahrzeug
zu verwenden.
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Weiterhin,
wenn ein Steuersystem, das die Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
steuert, so modifiziert wird, dass es eine Spülbehandlung der Feuchtigkeit
ausführt,
wird das Steuersystem im Aufbau kompliziert, und der gesamte Aufbau
des Steuersystems wird großbauend
mit einem daraus resultierenden Nachteil, für eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle,
die als Energiequelle des Kraftfahrzeuges dient.
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Aus
der älteren,
jedoch nicht vorveröffentlichten
Druckschrift
DE 100
07 973 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Polymerelektrolyt
bekannt. In diesem Polymerelektrolytbrennstoffzellensystem wird
ein Zustand der Befeuchtung von Elektrolytmembranen präzise bestimmt,
wobei eine entsprechende Steuerung durchgeführt wird, derart, daß der Zustand
der Befeuchtung der Elektrolytmembranen im Wesentlichen innerhalb
eines geeigneten Bereiches bleibt.
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Dieses
System umfasst eine Brennstoffgaszuführvorrichtung zum Zuführen eines
wasserstoffhaltigen Brenngases zu der Polymerelektrolytbrennstoffzelle,
einen Brennstoffgasbefeuchter zum Befeuchten des Brennstoffgases,
eine Zuführvorrichtung
zum Zuführen
eines sauerstoffhaltigen Gases, z. B. Luft zu der Brennstoffzelle,
einen Befeuchter, um das sauerstoffhaltige Gas zu befeuchten, eine Kühlvorrichtung
zum Kühlen
der Brennstoffzelle, und eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung
des Betriebs des Brennstoffzellensystems. Die Brennstoffgaszuführvorrichtung
gemäß dieser
Druckschrift kann z. B. einen Reformer aufweisen, der einen Kohlenwasserstoffbrennstoff
wie Methanol, Methan oder dergleichen zu einem wasserstoffreichen
Brennstoffgas reformiert und dieses Brennstoffgas der Brenn stoffzelle
zuführt
oder ein Brennstoffgaslagerungstank sein, der ein wasserstoffhaltiges
Brennstoffgas lagert.
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Die
Brennstoffzelle weist Auslassrohrleitungen auf, die jeweils mit
Druckregelventilen ausgestattet sind, so daß der Druck des Brennstoffgases
und der Druck des sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle
eingestellt werden kann. Aktuatoren dieser Druckregelventile sind über Signalleitungen
mit der elektronischen Steuereinheit verbunden, so daß die Aktuatoren
durch die elektronische Steuereinheit angetrieben und gesteuert
werden.
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Wird
gemäß dieser
Druckschrift eine übermäßige Befeuchtung
der Brennstoffzelle erkannt, so wird der Gasdruck des Brennstoffgases
und des sauerstoffhaltigen Gases in der Brennstoffzelle durch Öffnen der
Druckregelventile verringert und gleichzeitig der Befeuchtungsgrad
des Brennstoffgases und des Sauerstoffgases durch die jeweiligen
Befeuchter reduziert.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems
zu schaffen, bei dem in einfacher Weise eine hohe Leistungsfähigkeit
sichergestellt ist.
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Gemäß dem Vorrichtungsaspekt
der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Gemäß dem Verfahrensaspekt
der vorliegenden Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren
zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des
unabhängigen
Patentanspruchs 9 gelöst.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Auf
vorteilhafte Weise wird ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren
zum Steuern desselben geschaffen, das im Aufbau einfach ist und
in der Lage ist, auf geeignete Weise eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle
mit einer geeigneten Spülbehandlung
von Feuchtigkeit zu betreiben, ohne dass ein beachtliches Anwachsen
des elektrischen Leistungsverbrauchs bewirkt wird.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung
mit den beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre darstellt;
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2 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des
Brennstoffzellensystems gemäß der ersten
Ausführungsform;
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3 Zeitablaufdiagramme,
die die Arbeitsweise eines Spülablaufs
gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt;
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4 ein
Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre;
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5 ein
Blockdiagramm einer dritten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre;
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6 ein
Blockdiagramm eine vierten Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre;
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7 ein
allgemeines Flussdiagramm zum Darstellen des Basis-Arbeitsablaufs des
Brennstoffzellensystems gemäß der vierten
Ausführungsform;
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8 ein
Blockdiagramm einer fünften
Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre; und
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9 ein
Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre.
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Eine
Beschreibung eines Brennstoffzellensystems und eines Verfahrens
zum Steuern desselben in Übereinstimmung
mit jeder der Ausführungsformen
der vorliegenden technischen Lehre wird nun im Einzelnen unter geeigneter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen gegeben.
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Als
erstes wird ein Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Steuern
desselben gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden technischen Lehre im Einzelnen unter Bezugnahme
auf die 1 bis 3 beschrieben.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre darstellt.
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In
der ersten Ausführungsform
schließt
das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellenpaket des Typs einer
Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die ein Polymerelektrolyt verwendet,
eine Wasserstoffzuführungseinheit 2,
die dem Brennstoffzellenpaket 1 Wasserstoffgas als Brennstoff
zuführt;
eine Luftzuführungseinheit 3,
die Luft durch einen Luftzuführdurchgang
Pa1 dem Brennstoffzellenpaket 1 als Oxidationsmittel zuführt, eine
Brennkammer 4, die überschüssiges Wasserstoffgas
verbrennt, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, und eine Steuereinheit 5 ein, die verschiedene Teile
des Brennstoffzellensystems steuert.
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Die
Wasserstoffzuführungseinheit 2 schließt einen
Reformer 6 und einen CO-Abscheider 7 ein. Der
Reformer 6 formt Brennstoff, wie z. B. Methanol mit Dampf
um, um ein Mischgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen.
Das Kohlenmonoxidgas wird mit dem CO-Abscheider 7 entfernt,
und reines Wasserstoffgas wird erzeugt. Das reine Wasserstoffgas,
das aus dem CO-Abscheider 7 strömt, wird durch einen Wasserstoffgas-Zuführdurchgang
Ph1 dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt. Kohlenmonoxidgas, das
aus dem CO-Abscheider 7 entfernt wird, wird zu der Brennkammer 4 geleitet.
Es ist anzumerken, dass die Wasserstoffzuführungseinheit 2 durch einen
Wasserstofftank ersetzt werden kann. Auch kann der CO-Abscheider 7 durch
eine Wasserstoffabtrennmembran ersetzt werden.
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Der
Wasserstoffgas-Zuführdurchgang
Ph1 zwischen der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und dem
Brennstoffzellenpaket 1 hat ein Strömungssteuerventil 8,
das die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird,
regelt, und einen Befeuchter 9, der Wasserstoffgas, das
aus dem Strömungssteuerventil 8 strömt, befeuchtet.
Demzufolge wird das Brennstoffzellenpaket 1 mit Wasserstoffgas
versorgt, das mit dem Befeuchter 9 solcher Art befeuchtet
ist, dass das Polymerelektrolyt des Brennstoffzellenpaketes 1 mit
Feuchtigkeit versorgt wird, und das Polymerelektrolyt hat einen
Ionenleiter. Es ist hierbei anzumerken, dass in dieser Ausführungsform,
obwohl der Befeuchter 9 in dem Wasserstoffgas-Zuführdurchgang Ph1
angeordnet ist, um Wasserstoffgas zu befeuchten, Wasserstoffgas
auch durch andere Verfahren befeuchtet werden kann, z. B. durch
Befeuchten von Wasserstoffgas oder Luft, um Feuchtigkeit dem Polymerelektrolyt
mit Kühlwasser
zuzuführen,
das zum Kühlen
des Brennstoffzellenpaketes 1 verwendet wird.
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Die
Luftzuführungseinheit 3 kann
auch einen Luftkompressor und einen Entionisierungsfilter einschließen, solcher
Art, dass Luft anfänglich
mit dem Luftkompressor komprimiert wird und darauffolgend entionisiert
wird, um reine Luft zu erzeugen, die dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird.
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Das
Brennstoffzellenpaket 1 erzeugt eine Ausgangsspannung,
die durch ein Zellenspannungsüberwachungsgerät ermittelt
wird, das jede Zellenspannung in dem Brennstoffzellenpaket 1 überwacht, um
ein Ermittlungssignal, das eine Zellenspannung repräsentiert,
zu erzeugen. Das Brennstoffzellenpaket 1 wird mit dem Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 solcher
Art überwacht,
dass die Ausgangsspannung, die durch jede Zelle erzeugt wird, ermittelt wird,
um den gesamten Ausgangsspannungszustand des Brennstoffzellenpaketes 1 zu
jeder Zeit zu überwachen.
Ein Stromstärkedetektor
ED ist mit dem Brennstoffzellenpaket 1 verbunden, um eine
Stromstärke,
die dort hindurchfließt,
zu erfassen.
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Die
Brennkammer 4 ist an einer stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes 1 angeordnet.
Das überschüssige Wasserstoffgas,
das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht wurde,
und überschüssige Luft,
die nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur Reaktion gebracht
wurde, werden durch einen Wasserstoffausströmdurchgang Ph2 und einen Luftausströmdurchgang
Pa2 jeweils der Brennkammer 4 zugeführt. Überschüssiger Wasserstoff und überschüssige Luft
werden in der Brennkammer 4 verbrannt, wodurch Wärmeenergie erzeugt.
Die Wärmeenergie
wird dem Reformer 6 der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und
anderen Vorrichtungen zugeführt,
die die Wärmeenergie
erfordern.
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Ein
Wasserstoffsteuerventil 11 ist in dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 an einer Stelle zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und
der Brennkammer 4 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher
Art gesteuert, dass der Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 geregelt wird. Weiterhin
ist eine Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 angeordnet und wird durch die Steuereinheit 5 solcher
Art gesteuert, dass die Ansaugleistung des Wasserstoffs gesteuert
wird. Das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 haben
die Funktion, die Strömungsgeschwindigkeit
und den Druck des Wasserstoffgases, das durch den Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 strömt,
jeweils zu regulieren. In der ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden
technischen Lehre wird der Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 und die Ansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 durch die Steuereinheit 5 in
einer Weise gesteuert, die im Einzelnen später beschrieben wird, solcher
Art, dass Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt,
mit einer gewünschten
Strömungsgeschwindigkeit
gespült
wird.
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Die
Steuereinheit 5 schließt
eine CPU, ein ROM und ein RAM usw. solcher Art ein, dass die CPU
ein Steuerprogramm trägt,
das in der ROM mit Hilfe der RAM gespeichert ist, um dadurch den Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11, die Ansaugleistung der
Wasserstoffansaugpumpe 12 und die anderen zugehörigen Teile
zu steuern.
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In
einem solchen Brennstoffzellensystem, das oben erläutert wurde,
werden Wasserstoffgas, das durch die Wasserstoffzuführungseinheit 2 erzeugt
wurde und mit dem Befeuchter 9 befeuchtet wurde und Luft,
die von der Luftzuführungseinheit 3 strömt dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt, das eine
elektrische Leistungsabgabe erzeugt. Überschüssiges Wasserstoffgas und überschüssige Luft werden
in der Brennkammer 4 verbrannt, wodurch die Wärmeenergie
erzeugt wird. Wenn unter diesen Umständen das Brennstoffzellenpaket
mit einem unterstöchiometrischen
Verhältnis
arbeitet, verbleibt eine übermäßige Menge
an Feuchtigkeit in dem Brennstoffzellenpaket 1. Wenn die überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenpaket 1 in einer übermäßigen Menge
verbleibt, wird ein Anteil elektrischer Leistungsabgabe, die durch
das Brennstoffzellenpaket zu erzeugen ist, verringert. Um dieses
Problem zu überwinden,
schlägt
die vorliegende technischen Lehre vor, Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 solcher
Art zu spülen,
dass Produktwasser aus dem Brennstoffzellenpaket 1 entfernt
wird.
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Hierin
wird ein Feuchtigkeitsspülprozess zum
Spülen
der Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 im Einzelnen
unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
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Wie
in 2 gezeigt ist, wird beim Start, d. h., wenn der
Spülablauf
gestartet wird, ein Spannungsabfall in dem Brennstoffzellenpaket 1 durch das
Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 in
dem Ausführungsschritt
S1-1 ermittelt, der ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall
repräsentiert.
Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben.
Die Steuereinheit 5 reagiert auf das Ausgangssignal, das
den Zellenspannungsabfall repräsentiert
und ermittelt, dass für
das Brennstoffzellenpaket 1 eine Spülung notwendig ist. Wenn dieses
auftritt, funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass das
Strömungssteuerventil 8 solcher
Art gesteuert wird, dass das stöchiometrische
Verhältnis momentan
abgesenkt wird, um das Brennstoffzellenpaket 1 zu schützen.
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In
dem nächsten
Schritt S1-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass
die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird,
der größer als
für einen
normalen Betrieb erforderlich ist, um die Wasserstoffansaugleistung
zu erhöhen.
Dadurch wird ein Abfall des stöchiometrischen
Verhältnisses
auf der Seite einer Brennstoffelektrode in einem Spülablauf
beschränkt.
In diesem Fall wird der Druck des Wasserstoffs an der stromaufwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 geringfügig auf eine Größe abgesenkt,
die der Erhöhung
der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 entspricht,
wie in dem Zeitintervall t0 bis t1 in 3 zu sehen
ist.
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In
dem folgenden Schritt S1-3 entscheidet die Steuereinheit 5,
ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die erzeugt wird, nachdem
die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht ist,
um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene
Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung wiedererlangt ist aufgrund
des stöchiometrischen
Verhältnisses
auf der Seite der Brennstoffelektrode infolge des Ansteigens der
Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 und
die Zellenspannung die Referenzspannung überschreitet, entscheidet die Steuereinheit 5 in
Schritt S1-4, dass eine Spülung
unnötig
ist, und funktioniert in Schritt S1-5 so, dass die Ansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf einen ursprünglichen
Leistungspegel zurückgesetzt wird.
Da es in diesem Fall unnötig
ist, das stöchiometrische
Verhältnis
auf der Seite der Brennstoffelektrode wieder zu erhöhen, wenn
die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den
ursprünglichen Pegel
zurückgeführt wird,
modifiziert die Steuereinheit 5 einen Steuerzielwert in
Schritt S1-6, solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf
der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Schritt S1-7 wird
eine normale Arbeitsweise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
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Wenn
andererseits in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in dem
Schritt S1-3 ermittelt, dass die Zellenspannung, die erzeugt wird,
nachdem die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht wird,
um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger als die Referenzspannung
ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert
in Schritt S1-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 erhöhte Druckverluste
hat. Demzufolge wird der Druck am Punkt P2 in 1,
d. h., der Druck an der stromabwärtigen
Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 entlang einer Kurve
P2 in 3 während
eines Zeitintervalls zwischen t1 und t2 solcher Art abgesenkt, dass
eine Niedrigdruckzone an der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen
wird.
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Falls
in dem obigen Schritt die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 bleibt,
um kontinuierlich die erhöhte
Wasserstoffansaugleistung zu haben, wird Wasserstoffgas aus dem
Brennstoffzellenpaket 1 mit einer verminderten Strömungsgeschwindigkeit
abgelassen. In Schritt S1-9 erhöht
demzufolge die Steuereinheit 5 ferner die Ausgangsleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 um eine Menge, die gleich
einem Wert ist, die den Druckverlusten entspricht, die durch das
Wasserstoffsteuerventil 11 verursacht werden. Entsprechenderweise
wird der Druck am Punkt P1 in der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 auf
einen im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten, wie durch die gestrichelte
Kurve P1 in 3 gezeigt ist. In diesem Fall
verändert
sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt,
nicht in einem breiten Bereich, und der Druck am Punkt P2 an der
stromabwärtigen
Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 wird abgesenkt.
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Wenn
in dem nächsten
Schritt S1-10 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn
eine Niedrigdruckzone mit einem genügenden Pegel an der stromabwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 bestätigt wird, öffnet die Steuereinheit 5 vollständig das
Wasserstoffsteuerventil 11 in Schritt S1-11 und vermindert
die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf ihr
ursprüngliches
Niveau, das für
einen normalen Betrieb geeignet ist. In dem darauffolgenden Schritt
S1-12 wird eine augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases,
das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen ist, solcher
Art erhöht,
dass Feuchtigkeit mit dem Wasserstoffgas entfernt wird, und somit
Produktwasser gespült
wird. Da in diesem Fall die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf
einen niedrigen Wert gesetzt ist, die einem Wert entspricht, der
für einen
normalen Betrieb erforderlich ist, wird verhindert, dass der Brennkammer 4 unerwünscht eine
große
Menge an ausströmenden Wasserstoffgas
auf einmal zugeführt
wird.
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Es
sollte angemerkt werden, dass, nachdem die augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abge lassen
wird, erhöht
wird, und die Feuchtigkeit mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit gespült wird,
der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der
Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite auf einem Niveau
verbleiben, das geringfügig
niedriger ist, als das ursprüngliche
Niveau für
einen normalen Betrieb. Wenn in Schritt S1-13 ermittelt wird, dass der
Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 im
Wesentlichen gleich dem Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite
ist und dass das Spülen
der Feuchtigkeit beendet ist, steuert die Steuereinheit 5 das
Strömungssteuerventil 8 in
Schritt S1-15 solcher Art, dass dem Brennstoffzellenpaket 1 Wasserstoffgas aus
der Wasserstoffzuführungseinheit 2 mit
einer erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit
zugeführt
wird. In Schritt S1-15 wird der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck am Punkt
P2 an der stromabwärtigen
Seite augenblicklich wiedererlangt mit einem Wert, der nahezu gleich
einem vorgegebenen Druckpegel Pop ist, der für einen normalen Betrieb erforderlich
ist, wie zum Zeitpunkt t4 in 3 zu sehen
ist.
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Wenn
der Druck am Punkt P1 an der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und
der Druck am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite mit einem Wert
wiedererlangt wird, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck ist,
der für
einen normalen Betrieb erforderlich ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in
Schritt S1-16, ob die Zellenspannung, die nach dem Spülvorgang
erzeugt ist, wie oben erläutert,
die vorbestimmte Referenzspannung überschreitet. In dem Fall,
dass die Zellenspannung aufgrund der Spülbehandlung wiedererlangt ist
und der vorgegebene Referenzwert überschritten ist, wird der
Spülablauf
in Schritt S1-17 beendet, und der Betrieb kehrt zur normalen Betriebsart
zurück.
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Wenn
in Schritt S1-16 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene
Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenpaket 1 nicht vollständig entfernt
wurde, und der Ablauf kehrt zu Schritt S1-8 zurück, und dann werden die Schritte S1-8
bis S1-15 wiederholt.
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Wenn
in der ersten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzel lenpaket 1 angesammelt wird, wird überschüssige Feuchtigkeit
aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült. Entsprechenderweise macht
es das Brennstoffzellensystem der Ausführungsform möglich, effektiv
zu verhindern, dass der Spannungsabfall in der Brennstoffzelle durch
eine überschüssige Feuchtigkeit
verursacht wird, die sich in dem Brennstoffzellenpaket angesammelt
hat, und dass das Brennstoffzellenpaket 1 in seiner normalen
Arbeitsbetriebsart beibehalten wird.
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Da
bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform außerdem Feuchtigkeit
aus dem Brennstoffzellenpaket 1 durch Steuern des Öffnungsgrades
des Wasserstoffsteuerventils 11 und durch Steuern der Ansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 gesteuert wird, ist das Brennstoffzellensystem
im Aufbau nicht kompliziert und ein Spülen der Feuchtigkeit wird wünschenswerterweise
mit einem äußerst einfachen
Aufbau ausgeführt.
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Da
bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform gemäß der vorliegenden
technischen Lehre es nicht erforderlich ist, den Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf
einen höheren
Pegel mit Blick auf Spülen
der Feuchtigkeit anzuheben, ist es möglich, beträchtlich den elektrischen Stromverbrauch
zu vermindern, was bewirkt würde,
wenn der Betriebsdruck des Brennstoffzellenpaketes 1 auf
einen höheren
Pegel angehoben würde.
Bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform ist es insbesondere
beabsichtigt, dass die Wasserstoffansaugpumpe 1 für überschüssiges Wasserstoffgas arbeitet,
das nicht in dem Brennstoffzellenpaket 1 zur elektrischen
Stromerzeugung zur Reaktion gelangte und wird aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen.
Wenn zusätzlich
das stöchiometrische
Verhältnis
auf der Seite der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenpaketes 1 einen
kleinen Wert hat, ist der Anteil der Arbeit, die durch die Wasserstoffansaugpumpe 12 auszuführen ist,
gering. Da das Spülen
der Feuchtigkeit mit einem geringen Arbeitsaufwand erzielt wird,
kann der elektrische Stromverbrauch beträchtlich auf einen niedrigen
Pegel verringert werden, der für
einen Fall erforderlich ist, wo Feuchtigkeit mit einem hohen Betriebsdruck
gespült
wird, der in dem Brennstoffzellenpaket 1 verursacht wird.
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Ferner
wird bei dem Brennstoffzellensystem der Ausführungsform überschüssiges Wasserstoffgas, das
nicht zum Erzeugen von elektrischer Leistung in dem Brenn stoffzellenpaket 1 beiträgt, in der Brennkammer 4 verbrannt,
um Wärmeenergie
zu erzeugen. Da diese Wärmeenergie
Teilen verliehen wird, wie z. B. dem Reformer 6 der Wasserstoffzuführungseinheit 2,
wo die Wärmeenergie
erforderlich ist, wird überschüssiger Wasserstoff,
der von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, effektiv verwendet,
und das Brennstoffzellenpaket 1 kann in einer besonders
wirksamen Weise betrieben werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
In dieser dargestellten Ausführungsform ist
das Brennstoffzellensystem dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstofftank 13 zwischen
dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet
ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, zu speichern. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von 4 sind
jenen von 1 identisch, und daher wird
nur ein wichtiger Teil dieser dargestellten Ausführungsform im Detail beschrieben.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem von 4 kann Feuchtigkeit,
die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt, in dem gleichen
Spülablauf
gespült
werden, wie bei dem Brennstoffzellensystem, das in 1 gezeigt
ist. Da bei dem Brennstoffzellensystem, das in 4 gezeigt
ist, der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und
der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird eine
Niedrigdruckzone, die ein großes
Volumen hat, an der stromabwärtigen
Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 gebildet, wenn der Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 auf einen niedrigen Pegel verringert
wird. Das heißt,
wenn der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und
der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist, wird die Niedrigdruckzone
sowohl durch die Volumen des Wasserstoffsteuerventils 11 und
der Wasserstoffansaugpumpe 12 als auch das Volumen des
Wasserstofftanks 13 gebildet.
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Wenn
in entsprechender Weise bei dem Brennstoffzellensystem der zweiten
Ausführungsform
das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird und Feuchtigkeit
aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, kann eine große Menge
an Wasser stoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen werden,
und daher kann die Feuchtigkeit in einer besonders wirksamen Weise
gespült
werden.
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Da
bei der zweiten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems außerdem
der Wasserstofftank 13 zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und
der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet ist und das Volumen
der Niedrigdruckzone erhöht
wird, tritt das Wasserstoffgas, das durch das Wasserstoffsteuerventil 11 hindurchtritt,
in die Niedrigdruckzone ein, die das große Volumen hat, und die Geschwindigkeitsenergie
des Wasserstoffgases wird durch die Niedrigdruckzone absorbiert.
Somit wird verhindert, dass der Brennkammer 4 schnell Wasserstoffgas
mit einer großen
Strömungsgeschwindigkeit
zugeführt wird.
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Entsprechenderweise
ist es in der zweiten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems möglich,
einen übermäßigen Temperaturanstieg
in der Brennkammer 4 zu verhindern, der verursacht würde, wenn
der Brennkammer 4 augenblicklich Wasserstoffgas mit einer
großen
Strömungsgeschwindigkeit
zugeführt
würde,
und daher wird verhindert, dass die Brennkammer 4 in seiner
Betriebsleistung vermindert würde.
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Eine
dritte Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben,
wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie jene, die in 1 verwendet
werden, tragen. Bei der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
von 5 ist ein Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3 mit dem
Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 verbunden, der sich von der stromabwärtigen Seite des Brennstoffzellenpakets 1 erstreckt,
um das überschüssige Wasserstoffgas
dem Brennstoffzellenpaket 1 rückzuführen, und das Wasserstoffsteuerventil 11 und
die Wasserstoffansaugpumpe 12 sind in dem Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 angeordnet. Andere Teile des Brennstoffzellensystems von 5 sind
im Wesentlichen jenen, die in 1 gezeigt
sind, identisch, und arbeiten in der gleichen Weise, und daher wird
ein wesentliches Merkmal der dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems
nachstehend beschrieben.
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Bei
der dritten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems von 5 hat der
Wasserstoffgasausströmdurchgang
Ph2 ein zweites Wasserstoffsteuerventil 14, um die Strömungsgeschwindigkeit
des überschüssigen Wasserstoffgases,
das der Brennkammer 4 zuzuführen ist, zu regeln. Das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 ist
solcher Art gestaltet, dass es in einem geschlossenen Zustand gehalten wird
oder mit einem kleinen Öffnungszustand
gehalten wird, und das gesamte oder der meiste Teil des überschüssigen Wasserstoffgases,
das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 strömt, wird durch den Rückführungsdurchgang
Ph3 zurückgeführt.
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Die
dritte Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems von 5 arbeitet
mit dem gleichen Spülablauf
wie die des Brennstoffzellensystems von 1, solcher
Art, dass die Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt,
gespült
werden kann. Da bei dem Brennstoffzellensystem von 5 Wasserstoffgas,
das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch
den Rückführungsdurchgang
Ph3 zurückgeführt wird
und wieder dem Brennstoffzellenpaket 1 zugeführt wird,
kann Wasserstoffgas, das von dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit
des Wasserstoffgases kann solcher Art erhöht werden, dass die Menge an
Wasserstoffgas, der dem Brennstoffzellenpaket 1 zuzuführen ist,
von der Wasserstoffzuführungseinheit 2, vermindert
werden kann. Da auch die Menge an Wasserstoffgas, das über den
Rückführdurchgang Ph3
zurückgeführt wird,
einer Veränderung
in der Abhängigkeit
des stöchiometrischen
Verhältnisses
an der Brennstoffelektrode oder der Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zugeführt wird,
bewirkt, ist es wünschenswert,
dass die Steuereinheit 5 das Strömungssteuerventil 8 in
Abhängigkeit
von der Veränderung
der Strömungsrate
des Wasserstoffgases, das zurückgeführt wird,
steuert, um dadurch die Strömungsrate
des Wasserstoffgases, das erneut dem Brennstoffzellenpaket von der
Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird,
verändert.
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Da
in der dritten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems Feuchtigkeit, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird, über den
Ablassgasrückführungsdurchgang
Ph3 und dem Befeuchter 9 dem Brennstoffzellenpaket 1 zusammen mit
dem überschüssigen Wasserstoffgas,
das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, zurückführt, kann
Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 wiedergewonnen
wird, wirksam verwendet werden, und eine Verwendungswirksamkeit von
Wasser wird erhöht.
Da außerdem
Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 aufgrund
des Spülens
der Feuchtigkeit abgelassen wird, eine Flüssigkeitskomponente umfasst,
ist es wünschenswert, dass,
wenn die Temperatur des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenpaket 1 zuzuführen ist,
auf einem niedrigen Niveau ist und Feuchtigkeit nicht mit der Wärmeenergie
des Wasserstoffgases verdampft werden kann, ein Verdampfer in dem
Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 angeordnet sein kann, um die Flüssigkeitskomponente bei der
Feuchtigkeit zu verdampfen, oder ein Kondensator kann vorgesehen
sein, um die Flüssigkeitskomponente,
die dem Brennstoffzellenpaket 1 wieder zuzuführen ist,
zu kondensieren.
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In
der dritten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems kann außerdem das Wasserstoffsteuerventil 11,
wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, an einer Position
stromaufwärts
einer Verbindung BP zwischen dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 und dem Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 angeordnet sein, um den gleichen Effekt zu haben.
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Eine
vierte Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden technischen
Lehre wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem von 6 ist im
Aufbau zum Brennstoffzellensystem, das in 5 gezeigt
ist gleich, und gleiche Teile tragen die gleichen Bezugszeichen,
wie die, die in 5 gezeigt sind. In der vierten
Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems ist das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 in
dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 zwischen dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 parallel
zu dem ersten Wasserstoffsteuerventil 11 angeordnet und
ist so ausgestaltet, dass es einen Öffnungsgrad aufweist, der durch
die Steuereinheit 5 gesteuert wird, um Feuchtigkeit aus
dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen. In der vierten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems ist außerdem das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 so
ausgestaltet, dass es zu schließen
ist oder einen verminderten Öffnungsgrad
hat, wie das Brennstoffzellensystem von 5, während des
Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems, und somit wird das gesamte
oder meiste Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, durch den Wasserstoffgasrückführungsdurchgang
Ph3 zurückgeführt.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem von 6 wird darüber hinaus
Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült und gleichzeitig
wird die CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist,
die durch den Wasserstoffrückrührdurchgang
Ph3 zurückgeführt wird,
abgesenkt. Das heißt, ein
CO-Sensor 15 ist mit einer stromaufwärtigen Seite des Brennstoffzellenpaketes 1 verbunden.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem von 6 ist außerdem der
Feuchtigkeitsspülprozess
zum Spülen
der Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 geringfügig unterschiedlich
von jedem der ersten bis dritten Ausführungsform der Brennstoffzellensysteme,
welche oben erläutert
wurden. Ein Feuchtigkeitsspülprozess
zum Spülen
der Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt,
wird in Übereinstimmung
mit der vierten Ausführungsform der
technischen Lehre nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
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Bei
dieser dargestellten Ausführungsform wird
beim Start, d. h. wenn der Spülablauf
gestartet wird, ein Spannungsabfall des Brennstoffzellenpaketes 1 durch
das Zellenspannungsüberwachungsgerät 10 in
dem Ausführungsschritt
S2-1 ermittelt, das ein Ausgangssignal erzeugt, das einen Zellenspannungsabfall
repräsentiert.
Das Ausgangssignal wird dann der Steuereinheit 5 eingegeben.
Die Steuereinheit 5 steuert das Strömungssteuerventil 8 solcher Art,
dass das stöchiometrische
Verhältnis
momentan verringert wird.
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In
dem nächsten
Schritt S2-2 funktioniert die Steuereinheit 5 so, dass
die Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe auf einen Wert erhöht wird,
der größer ist,
als der für
einen Normalbetrieb erforderlich ist. Als ein Ergebnis dessen wird
ein Abfall des stöchiometrischen
Verhältnisses
auf der Seite der Brennstoffelektrode in einem Spülablauf
beschränkt.
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In
dem darauffolgenden Schritt S2-3 entscheidet die Steuereinheit 5,
ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die nach der Betriebszeit der
Wasserstoffansaugpumpe 12 erzeugt wurde, erhöht ist,
um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, höher ist als eine vorgegebene
Referenzspannung. Wenn die Zellenspannung aufgrund eines Anwachsens
im stöchiometrischen
Verhältnis auf der
Seite der Brennstoffelektrode infolge des Anwachsens bei der Wasserstoffansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 wiedererlangt wird und die
Zellenspannung die Referenzspannung überschreitet, entscheidet die
Steuereinheit 5 in Schritt S3-4, dass das Spülen der
Feuchtigkeit unnötig
ist, und funktioniert in Schritt S2-5 so, dass die Ansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen
Pegel zurückgesetzt
wird. Da in diesem Fall es unnötig
ist, das stöchiometrische
Verhältnis auf
der Seite der Brennstoffelektrode wieder zu erhöhen, wenn die Ansaugleistung
der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf den ursprünglichen
Pegel zurückgeführt wird,
modifiziert die Steuereinheit 5 einen Steuerzielwert in
Schritt S2-6 solcher Art, dass das stöchiometrische Verhältnis auf
der Seite der Brennstoffelektrode erhöht wird. In Schritt S2-7 wird
die normale Arbeitsweise des Brennstoffzellenpaketes 1 fortgeführt.
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Andererseits,
in dem Fall, dass die Steuereinheit 5 in Schritt S2-3 ermittelt,
dass die Zellenspannung, die nach der Betriebszeit der Wasserstoffansaugpumpe 12 erhöht wird,
um dadurch die Wasserstoffansaugleistung zu erhöhen, niedriger ist, als die
Referenzspannung, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenpaket 1 verbleibt. Somit vermindert
in Schritt S2-8 die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des
Wasserstoffsteuerventils solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 erhöhte Druckverluste hat.
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Wenn
in dem obigen Schritt die Wasserstoffansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 belassen
wird, wie sie ist, bewirkt dieses eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abzulassen
ist, und in Schritt S2-9 erhöht
die Steuereinheit 5 weiter die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12,
auf eine Größe, die
gleich einem Wert ist, der den Druckverlusten entspricht, die durch das
Wasserstoffsteuerventil 11 verursacht wird. Entsprechenderweise
wird der Druck am Punkt P1 in dem voreilenden Zustand des Wasserstoffsteuerventils 11 auf
einen im Wesentlichen konstanten Pegel gehalten wird. In diesem
Fall verändert
sich die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das durch das Wasserstoffsteuerventil hindurchtritt,
nicht in einem breiten Bereich, und der Druck am Punkt P2 im Nachlaufzustand
des Wasserstoffsteuerventils 11 wird abgesenkt.
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In
dem nächsten
Schritt S2-10 erhöht
die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 14.
Daher wird das Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, über
das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 der Brennkammer 4 zugeführt. Da
in diesem Fall die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 und
der Wasserstoffansaugpumpe 12 zuzuführen ist, sich nicht verändern, besteht
demzufolge keine Veränderung
der Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffs, das durch das Brennstoffzellenpaket 1 hindurchtritt.
Im Gegensatz, die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das der Brennkammer 4 zuzuführen ist,
erhöht
sich, und in diesem Fall verringert sich der Öffnungsgrad des Wasserstoffsteuerventils 11 langsam,
und die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 wird
langsam erhöht,
währenddessen
der Öffnungsgrad
des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 langsam vergrößert wird,
solcher Art, dass es möglich
ist, zu verhindern, dass der Brennkammer 4 eine große Menge
an Wasserstoffgas plötzlich
zugeführt
wird, wodurch ein übermäßiger Temperaturanstieg
in der Brennkammer 4 in einer zuverlässigen Weise verhindert wird.
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Wenn
in dem nächsten
Schritt S2-11 der Druckabfall am Punkt P2 an der stromabwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 ermittelt wird, und wenn
eine Niedrigdruckzone auf einem genügenden Pegel an der stromabwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 bestätigt wird, gibt die Steuereinheit 5 das
Wasserstoffsteuerventil 11 in Schritt S2-12 frei und vermindert
die Ansaugleistung der Wasserstoffansaugpumpe 12 auf seinen
ursprünglichen
Pegel, der für
einen Normalbetrieb erforderlich ist. Zusätzlich vermindert die Steuereinheit 5 den Öffnungsgrad
des zweiten Steuerventils 14. In dem darauffolgenden Schritt
S2-13 wird die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, sofort erhöht,
und Feuchtigkeit wird mit überschüssigem Wasserstoffgas
entfernt. Auch ist es möglich,
zu verhindern, dass ausströmendes
Wasserstoffgas unerwünscht
in den Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 aus dem Wasserstoffausströmdurchgang Ph2
umgekehrt wird.
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Aus
der vorangehenden Beschreibung ist es verständlich, dass, nachdem die Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, sofort erhöht
wird und die Feuchtigkeit gespült
wird, der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und
der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite auf einen Pegel verbleibt,
der geringfügig
niedriger ist, als der ursprüngliche
Pegel, der für
einen Normalbetrieb erforderlich ist. Wenn in Schritt S2-14 ermittelt
wurde, dass der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite
des Wasserstoffsteuerventils 11 im Wesentlichen gleich
dem Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite desselben ist,
und dass ein Spülen
von Feuchtigkeit abgeschlossen ist, steuert die Steuereinheit 5 das
Strömungssteuerventil 8 in Schritt
S2-15 solcher Art, dass die Strömungsgeschwindigkeit
von Wasserstoffgas, das dem Brennstoffzellenpaket 1 aus
der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird,
erhöht
wird. Entsprechenderweise werden in Schritt S2-16 der Druck an Punkt
P1 auf der stromaufwärtigen
Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Druck an
Punkt P2 auf der stromabwärtigen
Seite sofort wiedererlangt, so dass ein Wert erreicht wird, der
nahezu gleich einem vorgegebenen Druckpegel ist, der für einen
Normalbetrieb ermittelt wurde. In diesem Fall wird Wasserstoffgas, das
aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 strömt, der
Brennkammer 4 über
den Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 zugeführt.
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Wenn
der Druck am Punkt P1 auf der stromaufwärtigen Seite des Wasserstoffsteuerventils 11 und
der Druck am Punkt P2 auf der stromabwärtigen Seite wiedererlangt
werden auf einen Wert, der nahezu gleich dem vorgegebenen Druck
für einen
Normalbetrieb ist, unterscheidet die Steuereinheit 5 in
Schritt S2-17, ob die Zellenspannung, die nach dem Spülvorgang
erzeugt wurde, die vorgegebene Referenzspannung überschreitet. In dem Fall,
dass die Zellenspannung infolge der Spülbehandlung wiedererlangt wurde
und den vorgegebenen Referenzwert überschreitet, wird der Spülablauf
in Schritt S2-18 abgeschlossen, und die Arbeitsweise kehrt auf ihre
normale Betriebsart zurück.
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Wenn
in Schritt S2-17 die Zellenspannung niedriger als der vorgegebene
Referenzwert ist, entscheidet die Steuereinheit 5, dass überschüssige Feuchtigkeit
in dem Brennstoffzellenpaket 1 nicht vollständig entfernt
wurde, und der Betrieb kehrt zu Schritt S2-8 zurück, und dann wird eine Gruppe
von Spülvorgängen wiederholt.
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In
der vierten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems entsprechend der vorliegenden technischen
Lehre wird, wenn überschüssige Feuchtigkeit
sich in dem Brennstoffzellenpaket 1 angesammelt hat, überschüssige Feuchtigkeit
aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült, und gleichzeitig tritt
eine CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist,
durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 hindurch. Da, mehr im Einzelnen Wasserstoffgas, das aus dem
Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen wird, durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang
Ph3 zurückgeführt wird,
wird die CO-Konzentration, die in dem Wasserstoffgas enthalten ist, das
durch den Wasserstoffrückführungsdurchgang Ph3
strömt,
allmählich
erhöht.
Wenn in diesem Fall Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 in
dem Spülablauf,
wie oben erläutert,
gespült
wird, wird der Öffnungsgrad
des zweiten Wasserstoffsteuerventils 14 solcher Art vergrößert, dass
bewirkt wird, dass das Wasserstoffgas, das eine hohe CO-Konzentration
hat, durch das zweite Wasserstoffsteuerventil 14 zu der
Brennkammer 4 strömt.
Wenn auch der Öffnungsgrad
des zweiten Steuerventils 14 verringert wird, wird die
Strömungsgeschwindigkeit
von Wasserstoffgas, das aus der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird,
solcher Art erhöht,
dass der Brennkammer 4 Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird und eine niedrige CO-Konzentration infolge eines Ansteigens der
Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases enthält,
das von der Wasserstoffzuführungseinheit 2 zugeführt wird,
zugeführt
wird. Wenn in entsprechender Weise der Spülvorgang beendet wird, und
der Betrieb zu der Normalbetriebsart zurückkehrt, wird die CO-Konzentration
von Wasserstoffgas, das in Umlauf gebracht wird, durch den Wasserstoffdurchgang
Ph3 abgesenkt.
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In
der vierten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems der vorliegenden technischen Lehre ermittelt
auch der CO-Sensor 15 die CO-Konzentration von Wasserstoffgas,
das durch den Wasserstoffdurchgang Ph1 strömt, um ein CO-Ermittlungssignal
zu erzeugen. Wenn das CO-Ermittlungssignal einen vorgegebenen Referenzwert überschreitet,
wird der Spülablauf
ausgeführt,
auch in dem Fall, wo es nicht erforderlich ist, Feuchtigkeit aus
dem Brennstoffzellenpaket 1 zu spülen, solcher Art, dass eine
Priorität
gegeben wird, die CO-Konzentration des Wasserstoffgases zu verringern.
Da es in diesem Fall unnötig
ist, die augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzel lenpaket 1 abzulassen
ist, zu erhöhen, wird
die sofortige Öffnung
des Wasserstoffgassteuerventils 11 nicht notwendigerweise
ausgeführt.
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Eine
fünfte
Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden
technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem von 8 ist im Aufbau
dem Brennstoffzellensystem von 1 identisch
mit einer Ausnahme, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und
die Wasserstoffansaugpumpe 12 in dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 angeordnet sind, und zusätzlich
ein Luftsteuerventil 16 und eine Luftansaugpumpe 17 in
dem Luftausströmdurchgang
Pa2 angeordnet sind und durch die Steuereinheit 5 gesteuert
werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem von 8 sind das
Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe 17 zwischen
dem Brennstoffzellenpaket 1 und der Brennkammer 4 angeordnet
und haben den gleichen Aufbau wie das Wasserstoffsteuerventil 11 und
die Wasserstoffansaugpumpe 12, solcher Art, dass das Wasserstoffsteuerventil 11 und
die Wasserstoffansaugpumpe 12 und das Luftsteuerventil 16 und
die Luftansaugpumpe 17 in einer gleichzeitigen Weise gesteuert
werden, um auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu
spülen,
ohne zu bewirken, dass eine große
Druckdifferenz zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftablassseite
vorhanden ist.
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Mehr
im Einzelnen, wenn Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird,
falls ein großer
Druckunterschied zwischen der Wasserstoffablassseite und der Luftablassseite
existiert, kann ein Qualitätsverlust
der Polymermembran, die in dem Brennstoffzellenpaket 1 als
das Elektrolyt verwendet wird hinsichtlich einer Arbeitsleitung
auftreten. Bei dem Brennstoffzellensystem von 8 jedoch
weist der Luftausströmdurchgang
Pa2 das Luftsteuerventil 16 und die Luftansaugpumpe solcher
Art auf, dass diese Teile die Luftablassseite bilden, die den gleichen
Aufbau haben, wie die Wasserstoffablassseite, die durch das Wasserstoffsteuerventil 11 und
die Wasserstoffansaugpumpe 12 gebildet wird. In dem Spülablauf
von 2 wird der Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 gesteuert, und gleichzeitig
wird auch der Öffnungsgrad
des Luftsteuerventils 16 gesteuert, während die Ansaugleistung der
Ansaugpumpe 12 gesteuert wird, und gleichzeitig wird ebenfalls
die Ansaugleistung der Luftansaugpumpe 17 gesteuert. Mit
solch einer gleichzeitigen Steuerung kann Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült werden,
während
die Drücke
an der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite auf einen
im Wesentlichen gleichen Pegel zu jeder Zeit gehalten werden. Somit
kann verhindert werden, dass die Polymermembran einen ernsthaften
Qualitätsverlust
erleidet aufgrund der Druckdifferenz, die an der Luftablassseite
und der Wasserstoffablassseite bewirkt wird, um dadurch ein geeignetes
Feuchtigkeitsspülen
zu erzielen.
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Bei
dem Brennstoffzellensystem von 8 wird die
Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und
die Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig
erzielt, und der Brennkammer 4 wird abgelassenes Wasserstoffgas
und abgelassener Luft mit gleichgesteuerten Strömungsgeschwindigkeiten jeweils
zugeführt,
wodurch ein Überhitzen der
Brennkammer 4 zuverlässig
vermieden werden kann, und es kann verhindert werden, dass die Brennkammer 4 ernsthaft
in ihrer Arbeitsleistung verschlechtert wird.
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Eine
sechste Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden
technischen Lehre wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem von 9 hat einen
Basisaufbau, der identisch zu dem von 8 ist, mit
der Ausnahme, dass der Wasserstofftank 13 zwischen dem
Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 angeordnet
ist, um momentan Wasserstoffgas, das aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, zu speichern, und ein Lufttank 18 ist zwischen dem
Luftsteuerventil 16 und der Luftansaugpumpe 17 angeordnet,
um momentan Luft, die aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
wird, zu speichern.
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Da
in dem Brennstoffzellensystem von 9 das Luftsteuerventil 16 und
die Luftansaugpumpe 17 in dem Luftausströmdurchgang
Pa2 angeordnet ist und der Lufttank zwischen dem Luftsteuerventil 16 und
der Luftansaugpumpe 17 angeordnet ist, währenddessen
das Wasserstoffsteuerventil 11 und die Wasserstoffansaugpumpe 12 in
dem Wasserstoffausströmdurchgang
Ph2 angeordnet sind und der Wasserstofftank 13 zwischen
dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasser stoffansaugpumpe 12 angeordnet
ist, haben die Luftablassseite und die Wasserstoffablassseite den
gleichen Aufbau, wie der, der in 8 gezeigt
ist. Durch gleichzeitiges Ausführen der
Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und
der Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 18 in
dem gleichen Spülablauf,
wie der, der in der Ausführungsform
von 5 ausgeführt
wird, ist es möglich,
auf geeignete Weise Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 zu
spülen,
ohne zu bewirken, dass eine große
Druckdifferenz zwischen der Luftablassseite und der Wasserstoffablassseite
auftritt, was bewirken würde,
dass eine Verschlechterung der Arbeitsleistung der Polymermembran
auftritt.
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Da
auch bei dem Brennstoffzellensystem von 9 der Wasserstofftank
zwischen dem Wasserstoffsteuerventil 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 wie
in der Ausführungsform
von 4 angeordnet ist, wird ein großes Volumen einer Niedrigdruckzone
an einem Punkt stromabwärts
des Wasserstoffsteuerventils 11 geschaffen, wenn der Öffnungsgrad
des Wasserstoffsteuerventils 11 solcher Art verringert
wird, dass, wenn das Wasserstoffsteuerventil 11 geöffnet wird
und Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket 1 gespült wird,
eine große Menge
an Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellenpaket 1 abgelassen
werden kann, und eine Feuchtigkeitsspülung kann in einer beträchtlich
effizienten Art und Weise ausgeführt
werden.
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In
dem Brennstoffzellensystem von 9 wird außerdem die
Steuerung des Wasserstoffsteuerventils 11 und der Wasserstoffansaugpumpe 12 und
die Steuerung des Luftsteuerventils 16 und der Luftansaugpumpe 17 gleichzeitig
ausgeführt,
solcher Art, dass der abgelassene Wasserstoff und die abgelassene
Luft der Brennkammer 4 mit gleichgesteuerten Geschwindigkeiten
hinzugeführt
werden kann, solcher Art, dass zuverlässig verhindert werden kann,
dass die Brennkammer 4 überhitzt
wird und in der Arbeitsleistung verschlechtert wird.
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Das
Brennstoffzellensystem und das Verfahren, das dieses steuert nach
der vorliegenden technischen Lehre schafft zahlreiche Vorteile,
wie nachstehend zusammengefasst sind.
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Die
Betriebssteuerung kann stark vereinfacht werden. Anders als bei
den Prozessen nach dem Stand der technik, welche den Betriebsdruck
einer Brennstoffzelle erhöhen
muss, um Feuchtigkeit aus einem Brennstoffzellenpaket zu spülen mit
einem sich daraus ergebenden komplizierten Aufbau, der in einem
Brennstoffzellensystem verursacht wird und einem erhöhten elektrischen
Leistungsverbrauch, wird das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen
Lehre normalerweise einen vereinfachten Betriebsprozess erfordern
zum Spülen
von Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket mit einem einfachen
Aufbau. Das offensichtliche Ergebnis ist die Vermeidung von kostenaufwändigen und hochkomplizierten
Prozesssteuerungen, welche notwendig sind, um das Brennstoffzellensystem
auf einem erhöhten
Druck bei den Prozessen nach dem Stand der Technik beizubehalten.
Ein anderer Vorteil beruht in dem Fakt, dass Feuchtigkeit effektiv
zu gewünschten
Zeitpunkten gespült
werden kann, ohne die Basisarbeitsweise der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle
zu opfern.
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Da
zumindest ein Teil des Wasserstoffgases, das aus dem Brennstoffzellenpaket
abgelassen wird, in einer Brennkammer verbrannt wird, um Wärmeenergie
zu erzeugen, kann abgelassenes Wasserstoffgas wirksam verwendet
werden und verschiedenen Teilen, die die Wärmeenergie benötigen, zugeführt werden.
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Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre beinhaltet
ein Wasserstoffsteuerventil, das eine genügende Volumenmenge einer Niedrigdruckzone
schafft, die auf der stromabwärtigen
Seite des Brennstoffzellenpaketes ausgebildet ist. Wenn entsprechenderweise
eine Steuereinheit vollständig
das Wasserstoffsteuerventil öffnet, kann
eine genügend
große
Wasserstoffgasmenge aus dem Brennstoffzellenpaket solcher Art abgelassen
werden, dass Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenpaket in einer
besonders zuverlässigen
Weise gespült
werden kann.
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Das
Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen Lehre beinhaltet
einen Wasserstoffgasausströmrückführdurchgang,
der zwischen einem Einlass und einem Auslass eines Brennstoffzellenpaketes
angeordnet ist hinsichtlich der Rückführung zumindest eines Bereiches
des abgelassenen Wasserstoffgases zum Einlass des Brennstoffzellenpaketes. Demzufolge
hat das System der vorliegenden technischen Lehre eine höhere Leistungsabgabekapazität pro Volumeneinheit
von eingeführtem
Wasserstoffgas, da das abgelassene Wasserstoffgas zum Erzeugen von
einer elektrischen Leistungsabgabe rückgeführt wird. Somit ist es möglich, eine
hohe Geschwindigkeit der Umwandlung von Wasserstoffgas in elektrische
Leistungsabgabe beizubehalten. Da ferner die Menge an Wasserstoffgas,
die dem Brennstoffzellenpaket zugeführt wird, verringert wird,
ist es möglich,
einen Reformer zu verwenden, der eine kleine Größe hat und niedrige Kosten
hat. Da zusätzlich ein
Teil der Feuchtigkeit, die aus dem Brennstoffzellenpaket gespült wird,
auch mit dem abgelassenen Wasserstoffgas, das durch den Wasserstoffrückführdurchgang
rückgeführt wird,
es möglich,
die Menge an Wasser, die zu verdampfen ist zu vermindern, und einen
Befeuchter zu verwenden, der eine kleine Größe hat und welcher eine verringerte
Größe an elektrischer
Eingangsleistung erfordert. Auch kann aufgrund des rückgeführten abgelassenen
Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenpaket Wasserstoffgas, das
dem Brennstoffzellenpaket zugeführt
wird, eine niedrige Konzentration von CO haben, solcher Art, dass
die Lebensdauer des Brennstoffzellenpaketes wirksam erhöht werden
kann.
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Auch
beinhaltet das Brennstoffzellensystem der vorliegenden technischen
Lehre einen Luftausströmdurchgang
und einen Wasserstoffausströmdurchgang,
die mit einem Brennstoffzellenpaket verbunden sind, und eine Luftansaugpumpe
und eine Wasserstoffansaugpumpe, die in dem Luftausströmdurchgang
und dem Wasserstoffgasausströmdurchgang
jeweils angeordnet sind, und ein Luftsteuerventil und ein Wasserstoffsteuerventil,
welche jeweils auf der stromaufwärtigen
Seite der Luftansaugpumpe und der Wasserstoffansaugpumpe angeordnet
sind. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, Feuchtigkeit aus dem
Brennstoffzellenpaket zu spülen
ohne einen Druckausgleich zwischen dem Luftausströmdurchgang
und dem Wasserstoffausströmdurchgang beizubehalten.
Demzufolge ist es möglich,
zu verhindern, dass ein Qualitätsverlust
einer Polymerelektrolytmembran eines Brennstoffzellenpaketes hinsichtlich
der Arbeitsleistung aufgrund der Druckdifferenz auftritt, die an
einer Luftablassseite und einer Wasserstoffablassseite verursacht
wird.