DE112004001483T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, welches eine Konzentration von Wasserstoff in einem Wasserstoff-Abgas reduziert, das aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird und bei dem dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird, mit:
einem Einstellventil, welches eine Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases auf eine konstante Strömungsmenge einstellt, wobei das Einstellventil in einem Abgaskanal vorgesehen ist, durch den Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und zu einer Außenseite des Brennstoffzellensystems geleitet wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Elektrofahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem verwendet. Spezieller betrifft die Erfindung eine Verbesserung eines Brennstoffzellensystems, in welchem restlicher Wasserstoff zum Rückströmen veranlasst wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Brennstoffzelle empfängt eine Zufuhr an Wasserstoffgas und Sauerstoffgas (oxidierendes Gas), um elektrische Energie zu erzeugen. Das Gas, welches restlichen Wasserstoff enthält, der nicht in der Brennstoffzelle verbraucht worden ist, wird zur Außenseite der Brennstoffzelle als Wasserstoff-Abgas ausgestoßen. Auch wird Gas, welches Rest-Sauerstoff enthält, der in der Brennstoffzelle nicht verbraucht wurde, zur Außenseite der Brennstoffzelle als Sauerstoff-Abgas ausgetragen. Da das Wasserstoffgas in dem Wasserstoff Abgas zurückbleibt, kann der Brennstoffwirkungsgrad verbessert werden indem das Wasserstoff-Abgas veranlasst wird zur Wasserstoffgas-Versorgungsseite der Brennstoffzelle hin zurückzuströmen.
  • In einem Fall, bei dem das Wasserstoff-Abgas in der Brennstoffzelle zirkuliert, wird Stickstoff (N2), welches zu einer Anodenseite von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle aus durchgedrungen ist, gespeichert, welches eine elektrochemische Reaktion verhindert und die Ausgangsleistung einer Einheit-Zelle der Brennstoffzelle vermindert. Auch kann Feuchtigkeit in Form von Wasser in dem Wasserstoffgas und auch Wasser, welches aufgrund der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird und in der Brennstoffzelle verbleibt, die elektrochemische Reaktion behindern und die Ausgangsleistung einer Einheit-Zelle der Brennstoffzelle mindern. Demzufolge ist ein Austrag-Ventil in dem Wasserstoffabgas-Zirkulationssystem vorgesehen und es wird das Wasserstoff-Abgas intermittierend zur Außenseite der Brennstoffzelle über das Austrag-Ventil ausgetragen, wodurch eine Reduzierung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle verhindert wird.
  • Wenn das Wasserstoff-Abgas zur Außenseite des Brennstoffzellensystems hin ausgetragen wird, werden das Wasserstoff-Abgas und Sauerstoff-Abgas in einer Kammer in solcher Weise gemischt, dass eine Wasserstoffkonzentration reduziert wird, wie dies in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-132915 (JP-A-Nr. 2003-132915) offenbart ist, oder es wird der Wasserstoff einer Verbrennungsbehandlung unterworfen unter Verwendung eines Katalysators, wie dies in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-289237 (JP-A-Nr. 2002-289237) offenbart ist. Bei einem Brennstoffzellensystem, welches in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-289237 offenbart ist, wird das Wasserstoff-Abgas zeitweilig in einer Kammer in einem Austragkanal gespeichert, es wird das Wasserstoff-Abgas allmählich aus der Kammer zu einem Zusammenführungsabschnitt ausgetragen, in welchem das Wasserstoff-Abgas mit dem Sauerstoff-Abgas gemischt wird und durch das Sauerstoff-Abgas verdünnt wird, und es wird der Wasserstoff einer Ver brennungsbehandlung unterworfen und zwar vermittels einer Verbrennungsvorrichtung, die einen Katalysator enthält.
  • Obwohl die Kammer zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases, die in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-132915 offenbart ist, und die Verbrennungsvorrichtung zur Durchführung der Verbrennungsbehandlung des Wasserstoffes, die in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2002-289237 offenbart ist, effektiv darin sind, um die Wasserstoffkonzentration zu reduzieren, wenn das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird, variiert die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches intermittierend in die Kammer oder in die Verbrennungsvorrichtung strömt, abhängig von einem Betriebszustand (Last) der Brennstoffzelle. Daher muss die Kammer oder die Verbrennungsvorrichtung groß bemessen sein, um mit einer maximalen Menge (Spitzenmenge) des Wasserstoff-Abgases fertig zu werden. Da speziell in einem Fall eines im Fahrzeug eingebauten Brennstoffzellensystems ein Raum, in welchem das Brennstoffzellensystem montiert wird, begrenzt ist, muss die Größe solch eines Wasserstoffabgas-Austragsmechanismus reduziert werden. Da auch Platin in dem Katalysator in der Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, welches allgemein kostspielig ist, sind die Kosten für die Verbrennungsvorrichtung (Katalysator) hoch, wenn die Größe der Verbrennungsvorrichtung (Katalysator) groß ist.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der Erfindung ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchem die Größe eines Wasserstoffabgas-Austragsmechanismus klein ausgeführt werden kann indem eine Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases oder eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas konstant gehalten wird.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Konzentration von Wasserstoff in dem Wasserstoff-Abgas reduziert, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird und bei dem dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird. Das Brennstoffzellensystem enthält ein Einstellventil (Strömungsmengen-Steuerventil, Druckeinstellventil, Öffnen/Schließ-Ventil oder ähnliches), welches eine Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases einstellt (oder eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas) und zwar auf eine konstante Strömungsmenge (eine konstante Konzentration), wobei das Einstellventil in einem Abgaskanal vorgesehen ist, durch den das Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle kontinuierlich oder intermittierend ausgetragen wird und zu einer Außenseite des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
  • Bei dieser Konfiguration kann eine impulsförmige Änderung in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases (oder der Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas) in dem Abgaskanal reduziert werden, es kann die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases einheitlich (konstant) gemacht werden und demzufolge kann die Wirkung des Katalysators stabil gemacht werden und zwar selbst dann, wenn der Betriebszustand der Brennstoffzelle geändert wird. Auch kann die verwendete Menge des kostspieligen Katalysators reduziert werden. Ferner kann die Konzentration des Wasserstoffes in dem Abgas auf einem niedrigen Wert gehalten werden und zwar in einem Fall in einfacher Weise, bei dem das Wasserstoff-Abgas verdünnt wird und zur Atmosphäre hin ausgetragen wird ohne dabei einer Verbrennungsbehandlung unter Verwendung des Katalysators unterworfen zu werden.
  • Das Einstellventil kann aus einem mechanischen Einstellventil oder aus einem elektromagnetischen Ventil bestehen, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag basierend auf einem Betriebszustand der Brennstoffzelle gesteuert oder geregelt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Detektoreinrichtung für den Gaszustand enthalten, um einen Mengenzustand des Wasserstoff-Abgases in dem Abgaskanal zu detektieren (beispielsweise die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases oder die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas oder die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases oder die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas, welches basierend auf den Betriebzustand der Brennstoffzelle abgeschätzt wird) und es kann das Einstellventil basierend auf der detektierten Zustandsmenge gesteuert oder geregelt werden. Da bei dieser Konfiguration das Öffnen/Schließen des Einstellventils basierend auf der detektierten Zustandsmenge gesteuert wird, kann die Strömungsmenge stabil gestaltet werden.
  • Auch kann das Brennstoffzellensystem ferner eine Kammer enthalten, die zeitweilig Gas speichert, wobei die Kammer stromaufwärts von dem Einstellventil in dem Abgaskanal vorgesehen ist. Da mit dieser Konfiguration das Wasserstoff-Abgas, welches intermittierend ausgetragen wird, zeitweilig gespeichert wird, wird eine impuls förmige Änderung der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases unterdrückt und die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases kann konstant gehalten werden.
  • Das Brennstoffzellensystem enthält ferner einen Zusammenführabschnitt, in welchem ein Strömungsmittel, welches Sauerstoff enthält (Luft-Abgas, Luft, oxidierendes Gas oder ähnliches) und das Wasserstoff-Abgas gemischt werden, wobei der Zusammenführabschnitt stromabwärts von dem Einstellventil vorgesehen ist. Bei der weiter unten beschriebenen Ausführungsform dient die Verbrennungsvorrichtung als Zusammenführabschnitt. Jedoch kann ein Rohr für das Wasserstoff-Abgas und auch ein Rohr für das Luft-Abgas zu einem Rohr zusammengeführt sein.
  • Auch kann der Zusammenführabschnitt eine Wasserstoff-Reduziereinrichtung enthalten (beispielsweise eine Verdünnungsvorrichtung, eine Umwandlungseinrichtung (einen Katalysator und eine Verbrennungsvorrichtung)), um eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas durch Mischen des Wasserstoff-Abgases und des Strömungsmittels zu reduzieren. Der Ausdruck "Reduzieren einer Konzentration des Wasserstoffes" unterstreicht, dass "eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Gas reduziert wird, welches von der Wasserstoff-Reduziereinrichtung ausgetragen wird" und "dass eine Gesamtmenge des Wasserstoffes reduziert wird, der von der Wasserstoff-Reduziereinrichtung ausgetragen wird".
  • Die Brennstoffzelle kann ferner einen Strömungsmittel-Zustand-Sensor enthalten, der eine Zustandsmenge (die Strömungsmenge und die Konzentration) des Strömungsmittels detektiert, welches in die Wasserstoff-Reduziereinrichtung strömt, und das Einstellventil kann aus einem elektromagnetischen Ventil bestehen, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag gesteuert wird und zwar basierend auf einer Ausgangsgröße des Strömungsmittelzustand-Sensors.
  • Auch kann die Wasserstoff-Reduziereinrichtung eine Umsetzeinrichtung enthalten, um den Wasserstoff zu oxidieren (einen Katalysator und eine Verbrennungsvorrichtung) und zwar unter Verwendung des Strömungsmittels, und das Brennstoffzellen system kann ferner eine Temperaturdetektoreinrichtung enthalten, um eine Temperatur eines Abschnitts der Umsetzeinrichtung zu detektieren, an welchem der Wasserstoff oxidiert wird, und es kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils basierend auf der Temperatur gesteuert oder geregelt werden.
  • Da bei dieser Konfiguration die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches in die Umsetzeinrichtung eingeleitet wird, und eine Menge des Luft-Abgases, welches in die Umsetzeinrichtung eingeleitet wird, geändert werden kann und zwar entsprechend einer Ausgangsgröße der Temperaturdetektoreinrichtung, kann eine Aktivierungstemperatur der Umsetzeinrichtung aufrechterhalten werden und demzufolge kann der Wasserstoff effizient oxidiert werden.
  • Auch kann die Menge des Strömungsmittels, welches zu der Umsetzeinrichtung zugeführt wird, durch das Einstellventil gesteuert oder geregelt werden. Mit dieser Konfiguration kann ein Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen dem Wasserstoff und dem Sauerstoff auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.
  • Auch kann die Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases aus einem Druck bestehen und es kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils entsprechend dem Druck eingestellt werden. Mit dieser Konfiguration kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils auf einen geeigneten Wert entsprechend dem detektierten Druck eingestellt werden beispielsweise einem durch den Drucksensor detektierten Druck, der den Druck des Wasserstoff-Abgases detektiert.
  • Auch kann die Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases, die basierend auf einem Öffnungs-/Schließ-Zustand des Wasserstoffreinigungsventils erhalten wird, welches das Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle zu dem Abgaskanal austrägt. Da bei dieser Konfiguration das Öffnen/Schließen des Einstellventils basierend auf Informationen hinsichtlich des Öffnens/Schließens des Wasserstoff-Spülventils gesteuert wird, ist es nicht erforderlich, einen spezifischen Sensor zum Detektieren der Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases vorzusehen.
  • Auch kann die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Abgaskanal geleitet wird, eingestellt werden indem der Öffnungsbereich oder die Öffnungsfläche des Einstellventils eingestellt wird.
  • Der Abgaskanal kann wenigstens zwei Abgaskanäle umfassen, durch die das Wasserstoff-Abgas zu einer Außenseite des Brennstoffzellensystems geleitet wird, und es kann das Einstellventil ein Öffnungs-/Schließ-Ventil enthalten, von denen jedes in jedem der wenigstens zwei Abgaskanäle vorgesehen ist.
  • Jedes der Öffnungs-/Schließ-Ventile kann entsprechend einem Zustand des Wasserstoff-Abgases auf einer stromaufwärtigen Seite von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile gesteuert oder geregelt werden.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches das Wasserstoff-Abgas, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, verdünnt und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin austrägt. Das Brennstoffzellensystem enthält einen ersten Kanal, durch den ein Verdünnungsgas, welches zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases verwendet werden kann, strömt; enthält einen zweiten Kanal, über den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle ausgeleitet wird; einen Zusammenführungsabschnitt, an den der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind; und eine Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen des Druckes des Wasserstoff-Abgases und des Druckes des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt, wobei die Druckeinstelleinrichtung in wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
  • Da bei dieser Konfiguration eine Differenz zwischen dem Druck des Luft-Abgases und dem Druck des Wasserstoff-Abgases an dem Zusammenführungsabschnitt eingestellt wird, wird eine Menge des Wasserstoff-Abgases zu dem Zusammenführungsabschnitt ausgetragen und dies geschieht in stabiler weise.
  • Die Druckeinstelleinrichtung kann in dem zweiten Kanal vorgesehen sein.
  • Die Druckeinstelleinrichtung kann einen Luftkompressor enthalten, der in einem Oxidiergas-Versorgungskanal auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen ist, und kann einen Einstellkanal enthalten, der wenigstens eine der Seiten gemäß einer Einlassseite und einer Austragsseite des Luftkompressors und den zweiten Kanal verbindet.
  • Die Druckeinstelleinrichtung kann ein Öffnungs-/Schließ-Ventil enthalten, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag oder Ausmaß entsprechend dem Druck in dem Zusammenführungsabschnitt eingestellt werden kann, wobei das Öffnungs-/Schließ-Ventil in dem Einstellkanal vorgesehen ist.
  • Der Einstellkanal kann einen ersten Einstellkanal umfassen, der einen Versorgungskanal auf der Einlassseite des Luftkompressors und den zweiten Kanal verbindet, und kann einen zweiten Einstellkanal enthalten, der einen Versorgungskanal auf der Austragsseite des Luftkompressors mit dem zweiten Kanal verbindet. Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Drucksteuereinrichtung enthalten, um den Druck des Wasserstoff-Abgases niedriger zu machen als der Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt, indem ein Unterdruck oder negativer Druck in dem zweiten Kanal über den ersten Einstellkanal ausgebildet wird und zwar unter Verwendung des Luftkompressors und indem der Druck des Wasserstoff-Abgases in dem zweiten Kanal höher eingestellt wird als der Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt und zwar über den zweiten Einstellkanal unter Verwendung des Luftkompressors.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches das Wasserstoff-Abgas verdünnt, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin austrägt. Das Brennstoffzellensystem enthält einen ersten Kanal, durch den das Verdünnungsgas strömt, welches zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases verwendet werden kann; einen zweiten Kanal, über den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle aus geleitet wird; einen Zusammenführungsabschnitt, an dem der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind; eine Druckeinstellvorrichtung, die den Druck des Wasserstoff-Abgases und den Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt einstellt, wobei die Druckeinstellvorrichtung in wenigstens einem Kanal gemäß dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
  • Da bei dieser Konfiguration eine Differenz zwischen dem Druck des Luftabgases und dem Druck des Wasserstoff-Abgases an dem Zusammenführungsabschnitt eingestellt wird, wird eine Menge des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Zusammenführungsabschnitt ausgetragen wird, stabil gemacht.
  • Da es gemäß dem zuvor erläuterten ersten bis dritten Aspekt der Erfindung möglich ist eine pulsierende Änderung (Fluktuation) in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases oder in der Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas zu unterdrücken, welches von der Brennstoffzelle intermittierend (oder kontinuierlich) ausgetragen wird, derart, dass die Strömungsmenge oder die Konzentration des Wasserstoffes einheitlich gestaltet wird, kann die Möglichkeit geschaffen werden die Wirkung des Katalysators stabil zu gestalten und die verwendete Menge an dem Katalysator zu reduzieren. Es wird somit möglich die Verbrennungsbehandlung des Wasserstoff-Abgases unter Verwendung einer kleinen Verbrennungsvorrichtung durchzuführen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorangegangenen und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von als Beispiel gewählten Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet sind und in denen zeigen:
  • 1A ein Diagramm, welches eine erste Ausführungsform erläutert,
  • 1B und 1C Graphen sind, die je die erste Ausführungsform erläutern;
  • 2 ein Diagramm ist, weiches eine zweite Ausführungsform erläutert;
  • 3 ein Diagramm ist, welches eine dritte Ausführungsform erläutert;
  • 4 ein Diagramm ist, welches eine vierte Ausführungsform erläutert;
  • 5 ein Diagramm zeigt, welches eine fünfte Ausführungsform erläutert;
  • 6A ein Diagramm ist, welches eine sechste Ausführungsform erläutert,
  • 6B ein Graph ist, der die sechste Ausführungsform erläutert;
  • 7A ein Diagramm ist, welches eine siebente Ausführungsform erläutert,
  • 7B bis 7D Graphen sind, die die siebente Ausführungsform erläutern;
  • 8 ein Diagramm ist, welches eine achte Ausführungsform erläutert;
  • 9 ein Diagramm ist, welches eine neunte Ausführungsform erläutert;
  • 10A ein Diagramm ist, welches eine zehnte Ausführungsform erläutert;
  • 10B und 10C Graphen sind, die die zehnte Ausführungsform erläutern;
  • 11A ein Diagramm ist, welches ein Vergleichsbeispiel erläutert;
  • 11B und 11C Graphen sind, die jeweils das Vergleichsbeispiel erläutern;
  • 12 ein Diagramm ist, welches eine elfte Ausführungsform erläutert;
  • 13A bis 13C Graphen zeigen, von denen jeder eine Steueroperation bei der elften Ausführungsform erläutert;
  • 14A bis 14C Graphen zeigen, von denen jeder eine andere Steueroperation bei der elften Ausführungsform erläutert;
  • 15 ein Diagramm ist, welches eine zwölfte Ausführungsform erläutert; und
  • 16A bis 16E Graphen zeigen, von denen jeder eine Steueroperation bei der zwölften Ausführungsform erläutert.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Bei der Ausführungsform der Erfindung wird Wasserstoff-Abgas, welches intermittierend aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, in einer Kammer gespeichert und es wird die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer herausströmt, auf konstant eingestellt und zwar mit Hilfe eines Einstellventils. Als Einstellventil wird ein Strömungsmengen-Steuerventil (ein Drosselklappenventil oder ein Strömungsmengen-Steuerventil mit einem Druckkompensator), ein Drucksteuerventil (Druckreduzierungsventil) oder ähnliches Ventil verwendet. Das Einstellventil kann aus einem mechanischen Ventil oder einem elektromagnetischen Ventil bestehen. Wenn ein mechanisches Einstellventil verwendet wird, ergibt sich ein Vorteil, dass die Strömungsmenge bei relativ niedrigen Kosten eingestellt werden kann. Wenn das elektromagnetische Einstellventil verwendet wird, ergibt sich ein Vorteil, dass die Strömungsmenge in Einklan mit vielfältigen Bedingungen eingestellt werden kann. Auch wenn ein Strömungssteuerventil verwendet wird, das kaum durch Schwankungen im Druck beeinflusst wird, ist es möglich eine Kammer wegzulassen, die zeitweilig das Wasserstoff-Abgas speichert, um die Schwankung im Druck zu reduzieren (beispielsweise eine Kammer 132 in 1A, die an späterer Stelle beschrieben wird, und eine Kammer, die stromabwärts von dem Einstellventil vorgesehen ist, was später beschrieben wird (beispielsweise ein Auspufftopf 234 in 12)).
  • Da eine konstante Menge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung zugeführt wird, ist es möglich eine Situation zu vermeiden, bei der eine große Menge des Wasserstoffabgases zu einem Katalysator in der Verbrennungsvorrichtung in einer kurzen Zeit zugeführt wird. Es wird somit möglich die Verbrennungsbehandlung für den Wasserstoff, der aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird unter Verwendung eines Katalysators durchzuführen, dessen Menge gering ist (kleine Verbrennungsvorrichtung). Auch die Mengen des Wasserstoff-Abgases und des Sauerstoff-Abgases, die zu der Verbrennungsvorrichtung zugeführt werden, werden so gesteuert, dass der Wirkungsgrad des Katalysators optimal wird.
  • (Erste Ausführungsform)
  • 1A bis 1C zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung. 1A zeigt einen Hochdruck-Wasserstofftank 101 zum Speichern von Wasserstoff, ein Öffnen/Schließen-Ventil (Anlassventil) 102, um die Zufuhr des Wasserstoffgases von dem Hochdruck-Wasserstofftank 101 zu unterbrechen, ein Druckeinstellventil 103 zum Einstellen des Druckes (der Strömungsmenge) des Wasserstoffgases, die einer Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, und eine Pumpe 104, um das Abgas (Wasserstoff-Abgas), welches das verbleibende Wasserstoffgas enthält, welches nicht verwendet worden ist, zum Rückströmen zu der Brennstoffzelle 121 zu veranlassen. 1A zeigt auch ein Luftfilter 111 zum Beseitigen von Staub in der Luft, einen Kompressor 112 zum Zuführen von Luft, eine Befeuchtungsvorrichtung 113 zum Befeuchten von Luft. Die Brennstoffzelle 121 besteht beispielsweise aus einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle empfängt das zugeführte Wasserstoffgas und zugeführte Luft (oxidierendes Gas), um elektrische Energie zu erzeugen. 1A zeigt auch ein Öffnen/ Schließen-Ventil 131 zum Austragen des Wasserstoff-Abgases zur Außenseite der Brennstoffzelle 121 hin, eine Kammer 132 mit einer Kapazität, die ausreichend ist, um zeitweilig das Wasserstoff Abgas zu speichern, ein mechanisches Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133, welches die Möglichkeit schafft, dass das Wasserstoff-Abgas, welches in der Kammer 132 gespeichert ist, herausströmt und zwar in solcher Weise, dass die Strömungsmenge konstant bleibt, und eine Verbrennungsvorrichtung 134, die eine Verbrennungsbehandlung für den Wasserstoff durchführt und zwar unter Verwendung eines Platin-Katalysators. Das Wasserstoff-Abgas wird der Verbrennungsvorrichtung 134 von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 aus zugeführt und das Luft-Abgas wird der Verbrennungsvorrichtung 134 von der Brennstoffzelle 121 aus zugeführt. Die Verbrennungsvorrichtung 134 dient auch als ein Zusammenführungsabschnitt, in welchem das Wasserstoff-Abgas und das Luft-Abgas gemischt werden. Feuchtigkeit, die aufgrund der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 erzeugt wird, wird zur Außenseite des Brennstoffzellensystems (zur Atmosphäre hin) ausgetragen. In 1 erstreckt sich ein Wasserstoffgas-Versorgungskanal 201 von dem Wasserstofftank 101 zu der Brennstoffzelle 121. Ein Luft-(Oxidierungsgas)-Versorgungskanal 202 erstreckt sich von der Luftreinigungsvorrichtung 111 zu der Brennstoffzelle 121. Ein Wasserstoffabgas-Kanal(Abgaskanal) 203 bildet einen Durchgang, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu der Verbrennungsvorrichtung 134 geleitet wird. Ein Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal 204 bildet einen Durchgang, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu dem Wasserstoffgas-Versorgungskanal 201 geleitet wird. Ein Luft-Abgaskanal 205 bildet einen Durchgang, durch den das Luft-Abgas von der Brennstoffzelle 121 zu der Verbrennungsvorrichtung 134 geleitet wird. Das Abgas wird von der Verbrennungsvorrichtung 134 zur Atmosphäre hin ausgetragen und zwar über einen Außenseiten-Abgaskanal 206. Ein Steuerabschnitt 300 steuert das zuvor genannte Öffnungs-/Schließ-Ventil 102, das Druckeinstellventil 103, die Zirkulierpumpe 104, den Kompressor 112, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 und ähnliches. Der Steuerabschnitt 300 ist unter Verwendung eines Computersystems zur Durchführung der Steuerung konfiguriert.
  • Als nächstes wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems, der durch den Steuerabschnitt 300 durchgeführt wird, beschrieben. Der Steuerabschnitt 300 öffnet das Öffnungs-/Schließ-Ventil 102 des Wasserstofftanks 101 entsprechend einem elektrischen Energieerzeugungsbefehl von einem Abschnitt außerhalb des Steuerabschnitts 300. Auch stellt der Steuerabschnitt 300 die Strömungsmenge des Wasserstoffgases, welches zu der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, durch Einstellen des Druckeinstellventils 103 ein, um eine erforderliche Menge an elektrischer Lastenergie zu erzeugen. Auch betätigt der Steuerabschnitt 300 den Kompressor 112, befeuchtet die Luft einer Menge entsprechend der Menge des Wasserstoffgases und führt die Luft der Brennstoffzelle 121 zu. Wenn das Wasserstoffgas und Luft (oxidierendes Gas) an die Brennstoffzelle 121 abgegeben werden, erfolgt in jeder Zelle eine elektrochemische Reaktion und es wird eine elektromotorische Kraft zwischen der Anode und der Kathode (nicht gezeigt) in der Brennstoffzelle 121 erzeugt. Die elektrische Energie wird einem Motor und einer Sekundärbatterie des Fahrzeugs zugeführt.
  • Der Steuerabschnitt 300 öffnet periodisch das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 für eine kurze Zeit und zwar während des Betriebes der Brennstoffzelle 121 und trägt das Wasserstoff-Abgas aus (führt eine Reinigung davon durch). Wie in 1B gezeigt ist, ändert sich die Strömungsmenge des ausgespülten Wasserstoff-Abgases in einer pulsierenden Art mit einem Spitzenwert der hoch liegt und zwar entsprechend einer Änderung in dem Druck an einem Abschnitt X in 1A. Der Steuerabschnitt 300 stellt einen Öffnungszyklus des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 gemäß einem Zustand der Last ein. Wenn die Last groß ist wird der Öffnungszyklus des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 kurz. Wenn die Last klein ist wird der Öffnungszyklus des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 lang. Das Wasser-Abgas wird in der Kammer 132 gespeichert und es wird eine Änderung in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases entsprechend einer Kapazität der Kammer 132 reduziert und es strömt das Wasserstoff-Abgas in einer pulsierenden Weise (siehe 11C, was später beschrieben wird).
  • Wie ferner in 1C gezeigt ist, wird die pulsierende Änderung in der Menge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 herausströmt, durch das mechanische Strömungsmengen-Einstellventil 133 unterdrückt. Als ein Ergebnis wird die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 an einem Abschnitt Y herausströmt, auf einen stabilen Zustand eingestellt (einheitlich gemacht). Somit wird eine konstante Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung 134 zusammen mit dem Luft-Abgas zugeführt und wird dann einer Verbrennungsbehandlung unter Verwendung eines Platinkatalysators unterworfen.
  • Wie in 1C gezeigt ist, wird die Wirkung des Platinkatalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 stabil und zwar in einer nachfolgenden Stufe, bei der das Wasserstoff-Abgas der Verbrennungsbehandlung unterzogen wird, da die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases konstant ist. Auch ist die Menge des Katalysators klein und zwar verglichen mit einem Fall, bei dem die Spitzenströmungsmenge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 ohne Verwendung der Kammer 132 und des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unterworfen wird (siehe 1B) oder verglichen mit einem Fall, bei dem die Spitzenströ mungsmenge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsbehandlung in der Verbrennungsvorrichtung 134 ohne Verwendung des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unterzogen wird (siehe 11C, die später beschrieben wird).
  • Anstelle des Sauerstoff-Abgases, welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, kann auch Luft außerhalb des Brennstoffzellensystems verwendet werden und zwar nicht nur bei dieser Ausführunsform sondern auch bei den Ausführungsformen, die später beschrieben werden.
  • Der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Strömungsmengen-Einstellventils 133 kann vermittels des Steuerabschnitts 300 entsprechend dem Öffnungszustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 eingestellt werden, welches aus einem Wasserstoffspül-Ventil besteht. Beispielsweise wird in beiden Fällen und zwar in dem Fall, bei dem das Öffnungs/Schließ-Ventil 131 für eine vorbestimmte Öffnungszeitperiode geöffnet wird und einem Zyklus, von dem an das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen wird bis zu dem Zeitpunkt, wenn das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 das nächste Mal geöffnet wird und sich dieser Zyklus ändert, und dem Fall, bei dem der Zyklus konstant ist und die Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro Einheitszyklus geändert wird, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 entsprechend einem Abschnitt der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro Einheitszeit geöffnet, das heißt es wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 in einem größeren Ausmaß oder Grad geöffnet, wenn der Anteil der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 größer wird. Somit kann der Druck des Wasserstoff-Abgases in der Kammer 132 im Wesentlichen konstant gemacht werden und zwar ohne Verwendung eines speziellen Sensors. Demzufolge kann eine pulsierende Strömung des Wasserstoff-Abgases, welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, unterdrückt werden und es kann zur gleichen Zeit die Austragmenge des Wasserstoff-Abgases eingestellt werden. Der Steuerungsbetrieb kann durchgeführt werden, da der Steuerabschnitt 300, der die Steuerung des Öffnungszustandes des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 durchführt, das heißt die Steuerung ausführt, ob das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet oder geschlossen wird, den Öffnungszustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 detektiert und ein Signal zum Steuern des Öffnungs-/Schließ-Betrages des Strömungsmengen-Einstellventils 133 erzeugt.
  • 11A zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem Vergleichsbeispiel zur Klarstellung der Wirkung der ersten Ausführungsform. In 11A sind gleiche Abschnitte wie in 1 durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Wie in 11A gezeigt ist, ist das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 zum Unterdrücken einer pulsierenden Änderung in der Strömungsmenge nicht zwischen der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Als ein Ergebnis wird die pulsierende Änderung in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases nicht sehr ausgeprägt an dem Abschnitt X reduziert und die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, ändert sich stark in einer pulsierenden Art und zwar an dem Abschnitt Y. Um die Verbrennungsbehandlung des Wasserstoff-Abgases in der Verbrennungsvorrichtung 134 auszuführen, ist es erforderlich einen Katalysator mit einer Behandlungskapazität vorzusehen, die ausreichend ist, um mit einer Spitzenmenge des Wasserstoff-Abgases fertig zu werden. Es ist daher eine große Menge des kostspieligen Platinkatalysators erforderlich und es muss daher die Größe der Verbrennungsvorrichtung 134 ebenfalls groß sein. Da auch die Strömung des Wasserstoff-Abgases nicht kontinuierlich ist oder sich ändert und zwar in einer pulsierenden Weise, wird die Wirkung des Katalysators auch unstabil.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform. In 2 sind gleiche Abschnitte wie in 1 durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform wird als Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 ein mechanisches Membran-Ventil verwendet. Der Druck des Wasserstoffgases, welcher der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, wird auf eine Membran des Strömungsmengen-Steuerventils 133 aufgebracht und zwar als Pilotdruck und der Öff nungsbetrag des Strömungsmengen-Steuerventils 133 wird entsprechend der Strömungsmenge (Druck) des zugeführten Wasserstoffgases gesteuert. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Wenn bei dieser Konfiguration der Steuerabschnitt 300 das Druckeinstellventil 103 entsprechend einer Zunahme in der erforderlichen Last öffnet derart, dass die Menge des Wasserstoffgases, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, anwächst und die Menge der erzeugten elektrischen Energie zunimmt, wird eine Menge des Wasserstoff-Abgases aus der Brennstoffzelle 121 zu dem Wasserstoffabgas-Kanal (Abgaskanal) in erhöhter Form zugeführt bzw. ausgetragen (das heißt es wird eine Spitzenaustragsmenge und die Zahl der Austragsvorgänge erhöht). Der Druck in dem Wasserstoffversorgungskanal 201 wird auf die Membran des Strömungsmengen-Einstellventils 133 als Pilotdruck übertragen und es wird die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 erhöht. Somit wird der mittlere Wert (im Wesentlichen konstanter Wert) der Menge an Wasserstoff-Abgas, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, entsprechend der Zunahme in der Menge des Wasserstoffgases, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, erhöht.
  • Es wird somit möglich die Menge des Wasserstoff-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, entsprechend einer Zunahme in dem Wasserstoff-Abgas zu ändern, welches von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und eine Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung durchzuführen. Auch in diesem Fall wird die Wirkung des Katalysators stabil, da die mittlere Menge (im Wesentlichen konstante Menge) des Wasserstoff-Abgases dem Katalysator zugeführt wird.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In 3 sind gleiche Abschnitte wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform wird als Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 ein elektromagnetisches Ventil verwendet und wird durch eine Ausgangsgröße des Steuerabschnitts 300 gesteuert. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 den Öffnungsbetrag oder Öffnungsausmaß des Einstellventils 103 entsprechend einem Gaspedal-Öffnungsbetrag des Fahrzeugs ein, um so die Menge des Wasserstoffgases einzustellen, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird. Auch stellt der Steuerabschnitt 300 einen Mittelwert der Menge des Wasserstoff-Abgases ein, welche der Verbrennungsvorrichtung 134 von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 aus zugeführt wird und zwar entsprechend dem Gaspedal-Öffnungsbetrag des Fahrzeugs. Es wird somit möglich die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, entsprechend der Menge des Wasserstoff-Abgases einzustellen, die von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird.
  • Auch in diesem Fall wird die Wirkung des Katalysators stabil, da die mittlere Menge (im Wesentlichen konstante Menge) des Wasserstoff-Abgases dem Katalysator zugeführt wird.
  • Ein Elektromagnet des Strömungsmengen-Einstellventils 133 kann dadurch angetrieben werden indem die Energie eines elektrischen Signals verstärkt wird, welches den Gaspedal-Öffnungsbetrag anzeigt und zwar ohne Verwendung des Steuerabschnitts 300.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • 4 zeigt vierte Ausführungsform der Erfindung. In 4 sind gleiche Abschnitte wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform ist ein Temperatursensor 136 zum Messen der Temperatur des Katalysators der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Die Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 wird zu dem Steuerabschnitt 300 übertragen. Das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 zum Unterdrücken der pulsierenden Änderung in der Menge des Wasserstoff-Abgases und der Zufuhr des Wasserstoff-Abgases zur Verbrennungsvorrichtung 134 wird durch ein elektromagnetisches Ventil gebildet. Auch wird eine ausreichende Menge an Luft-Abgas der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 die Menge des Wasserstoff-Abgases ein, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 aus zugeführt wird, basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 und zwar in solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen geeigneten Wert annimmt. Das heißt wenn die Temperatur des Katalysators hoch ist, nimmt der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Steuerventils 133 ab und zwar in solcher Weise, dass die Menge des Wasserstoffes, die einer Verbrennungsbehandlung bzw. Nachverbrennung unterworfen wird, reduziert wird. Wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, wird das Strömungsmengen-Steuerventil 133 in solcher Weise geöffnet, dass die Menge des Wasserstoffes, die einer Nachverbrennung unterworfen wird, erhöht wird. In jedem dieser Fälle unterdrückt das Strömungsmengen-Steuerventil 133 die pulsierende Änderung in der Menge des Wasserstoff-Abgases und führt eine im Wesentlichen konstante Menge des Wasserstoff-Abgases der Verbrennungsvorrichtung 134 zu.
  • Da auch in diesem Fall die mittlere Menge (im Wesentlichen konstante Menge) des Wasserstoff-Abgases dem Katalysator zugeführt wird, wird die Wirkung des Katalysators stabil gehalten. Da die Temperatur des Katalysators auf einer optimalen Temperatur gehalten wird, wird die Wirkung des Katalysators in ausreichender Weise realisiert und es wird der Wasserstoff-Verbrennungswirkungsgrad hoch.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • 5 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. In 5 sind gleiche Abschnitte wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform detektiert ein Temperatursensor 136 die Temperatur des Katalysators, der in der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen ist. Auch ist ein elektromagnetisches Ventil 135 zum Einstellen der Strömungsmenge des Luft-Abgases in dem Luftabgas-Kanal 205 vorgesehen. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration besteht das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 aus einem mechanischen Einstellventil oder einem elektromagnetischen Einstellventil. Wie bei der zuvor erläuterten ersten bis dritten Ausführungsform wird die Menge an Wasserstoff-Abgas, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, entsprechend der Lastmenge oder der Menge des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine pulsierende Änderung in der Menge des Wasserstoff-Abgases durch das Strömungssteuerventil 133 unterdrückt. Der Steuerabschnitt 300 stellt die Menge an Luft-Abgas ein, die dem Strömungsmengen-Steuerventil 135 zugeführt wird, basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 und zwar in solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen geeigneten Wert erreicht. Das heißt, wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 hoch ist, wird das Strömungsmengen-Steuerventil 135 geöffnet, es wird das Luft-Abgas, dessen Menge über der Menge des Wasserstoff-Abgases liegt, zugeführt, es wird Hitze von dem Katalysator entfernt und es wird daher die Temperatur des Katalysators abgesenkt. Wenn die Temperatur des Katalysators niedrig ist, wird der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Steuerventils 135 reduziert und zwar in solcher Weise, dass die Strömungsmenge des Luft-Abgases abgesenkt wird und die Menge der Wärme, die von dem Katalysator abgeführt wird, reduziert wird. Auch wird die Zufuhrmenge des Luft-Abga ses auf einen geeigneten Wert in Bezug auf die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases eingestellt.
  • Somit kann die Temperatur des Katalysators auf den optimalen Wert eingestellt werden, um die Wirkung des Katalysators zu erhalten.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • 6A zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung. In 6A sind gleiche Abschnitte wie in 1A mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform detektiert ein Temperatur 136 die Temperatur des Katalysators, der in der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen ist. Das Strömungsmengen-Steuerventil 133 zum Unterdrücken einer pulsierenden Änderung in der Strömungsmenge besteht aus einem elektromagnetischen Ventil. Auch ist ein elektromagnetisches Ventil 135 zum Einstellen der Strömungsmenge des Luft-Abgases in dem Luftabgas-Kanal 205 vorgesehen. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 das Strömungsmengen-Steuerventil 133 ein und auch das Strömungsmengen-Steuerventil 135 und zwar basierend auf der Ausgangsgröße des Temperatursensors 136 in solcher Weise, dass die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 einen geeigneten Wert erreicht, und stellt die Zufuhrmengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases ein. Der Steuerabschnitt 300 enthält eine im Voraus abgespeicherte Beziehung zwischen der Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134, die detektiert werden soll, und den Zufuhrmengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases, die eingestellt werden sollen, in Form von Daten in einem Speicher.
  • 6B zeigt schematisch ein Beispiel der Menge des Wasserstoff-Abgases und der Menge des Luft-Abgases, die in Bezug auf die erforderliche Last (Zufuhrmenge des Wasserstoffgases) und der Temperatur des Katalysators eingestellt werden. Der Steuerabschnitt 300 selektiert und stellt die Betriebseigenschaften des Strömungsmengen-Steuerventils 133 entsprechend der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases ein. Wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher ist als ein geeigneter Wert, wird der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Einstellventils 133 entsprechend den Betriebseigenschaften in solcher Weise reduziert, dass die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases reduziert wird. Auch selektiert der Steuerabschnitt 300 die Betriebseigenschaften des Strömungsmengen-Einstellventils 135 und stellt diese ein und zwar entsprechend der Zufuhrmenge des Wasserstoffgases. Wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher liegt als ein geeigneter Wert, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 135 entsprechend den Betriebeigenschaften in solcher Weise geöffnet, dass die Menge des Luft-Abgases erhöht wird. Wenn mittlerweile die Temperatur des Katalysators niedriger geworden ist als ein geeigneter Wert, wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 entsprechend den gewählten Betriebseigenschaften in solcher Weise geöffnet, dass die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases erhöht wird. Zusätzlich wird der Öffnungsbetrag des Strömungsmengen-Einstellventils 135 entsprechend den ausgewählten Betriebseigenschaften in solcher Weise reduziert, dass die Menge des Luft-Abgases reduziert wird.
  • Es ist somit möglich die Temperatur des Katalysators auf der optimalen Temperatur zu halten und in effizienter Weise die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung des Wasserstoff-Abgases durch Einstellen der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases und der Strömungsmenge des Luft-Abgases entsprechend der Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 durchzuführen.
  • (Siebente Ausführungsform)
  • 7A bis 7D zeigen eine siebente Ausführungsform der Erfindung. In 7A sind die gleichen Abschnitte wie in 1A mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoff (Luft) an dem Katalysatorabschnitt auf einen optimalen Wert gehalten. Demzufolge sind das elektromagnetische Strömungsmengen-Steuerventil 133 und ein Wasserstoffsensor (Strömungsmittelzustandssensor) 139 zum Detektieren der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases und einer Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas zwischen der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch sind das elektromagnetische Strömungsmengen-Steuerventil 135 und ein Sauerstoffsensor (Strömungsmittelzustandssensor) 140 zum Detektieren der Strömungsmenge des Sauerstoff-Abgases und einer Konzentration des Sauerstoffes in dem Sauerstoff-Abgas in dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der Brennstoffzelle 121 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Die Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139 und die Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 werden dem Steuerabschnitt 300 zugeführt. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration stellt der Steuerabschnitt 300 das Strömungsmengen-Steuerventil 133 mit einer Funktion der Unterdrückung einer pulsierenden Änderung in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases an dem Abschnitt X ein, das heißt den intermittierenden Austrag von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 (siehe 7B), wodurch die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases an dem Abschnitt Y gesteuert oder geregelt wird und zwar auf eine im Wesentlichen konstante Strömungsmenge (den Mittelwert), wie in 7C gezeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt bestimmt der Steuerabschnitt 300 die Menge des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas basierend auf der Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139. Dann stellt der Steuerabschnitt 300 das Strö mungsmengen-Steuerventil 135 ein, wodurch dann die Strömungsmenge des Sauerstoffs (Luft-Abgas) an dem Abschnitt Z eingestellt wird und zwar in solcher Weise, dass das optimale Luft-Brennstoff-Verhältnis in Bezug auf die Strömungsmenge des Wasserstoffes erhalten wird, wie in 7D gezeigt ist. Die Strömungsmenge des Sauerstoffs wird durch Steuern des Strömungsmengen-Steuerventils 135 in solcher Weise eingestellt, dass das Verhältnis zwischen der Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 und der Strömungsmenge des Wasserstoffs gleich einem vorbestimmten Luft-Brennstoff-Verhältnis wird.
  • Es ist somit möglich die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung des verbliebenen Wasserstoffs mit dem Luft-Brennstoff-Verhältnis in dem Katalysator gemäß einem optimalen Wert durchzuführen.
  • (Achte Ausführungsform)
  • 8 zeigt eine achte Ausführungsform der Erfindung. In 8 sind die gleichen Abschnitte wie in 1 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform ist ein Wasserstoffsensor 141 in dem außenseitigen Abgaskanal 206 vorgesehen, der sich von der Verbrennungsvorrichtung 134 aus erstreckt. Der Wasserstoffsensor 141 detektiert die Konzentration des verbliebenen Wasserstoffes (die Menge des Wasserstoffes) in dem Gas, welches in die Atmosphäre ausgetragen wird. Das Ergebnis der Detektion wird an den Steuerabschnitt 300 ausgegeben. Die Strömungsmengen-Steuerventil 133 ist in dem Wasserstoffabgas-Kanal 203 zwischen der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Das elektromagnetische Strömungsmengen-Steuerventil 135 ist in dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der Brennstoffzelle 121 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration steuert oder regelt der Steuerabschnitt 300 die Strömungsmengen-Steuerventile 133 und 135, um den verbleibenden Wasserstoff zu beseitigen, wenn der verbleibende Wasserstoff in dem Abgaskanal vorhanden ist, der sich von der Verbrennungsvorrichtung 134 aus erstreckt, und stellt die Strömungsmengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases ein, ebenso das Verhältnis zwischen dem Wasserstoff-Abgas und dem Luft-Abgas, die Temperatur des Katalysators und ähnliches. Es wird somit möglich eine Situation zu vermeiden, bei der Wasserstoff in die Atmosphäre ohne vorhergehende Reinigung ausgetragen wird.
  • (Neunte Ausführungsform)
  • 9 zeigt eine neunte Ausführungsform der Erfindung. In 9 sind gleiche Abschnitte wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei der Ausführungsform wird ein Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 mit Blick auf einen Betriebsparameter gesteuert oder geregelt und zwar basierend oder abhängig davon wie die Menge des Wasserstoffes eingeschätzt werden kann, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird. Demzufolge ist das elektromagnetische Strömungsmengen-Steuerventil 133 zwischen der Kammer 132 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Der Wasserstoffsensor 139 ist zwischen dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 und der Kammer 132 vorgesehen. Auch ist der Sauerstoffsensor 140 in dem Luftabgas-Kanal 205 zwischen der Brennstoffzelle 121 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch ist ein Betriebszustand-Sensor 142 für die Brennstoffzelle 121 vorgesehen. Der Betriebzustand-Sensor 142 detektiert den Betriebsparameter der Brennstoffzelle 121 (die Zufuhrmenge des Wasserstoffs, eine aktuelle elektrische Energieerzeugungsmenge und ähnliches). Der Betriebszustand-Sensor 142 detektiert eine erforderliche oder angeforderte elektrische Energieerzeugungsmenge, die einen Betriebsparameter der Brennstoffzelle 121 bildet, basierend auf der Ausgangsgröße eines Gaspedal-Öffnungsbetrag-Sensors. Die Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139, die Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140, die Ausgangsgröße des Betriebszustand- Sensors 142 werden dem Steuerabschnitt 300 zugeführt. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.
  • Bei dieser Konfiguration kann der Steuerabschnitt 300 die folgenden drei Steuermodi ausführen.
    • (1) Der Steuerabschnitt 300 steuert das Strömungsmengen-Steuerventil 133 basierend auf einem Ausgangswert des Wasserstoffsensors 139 in solcher Weise, dass die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases im Wesentlichen konstant wird.
    • (2) Zusätzlich zu der zuvor erläuterten Steuerung des Ventils, welches unter (1) beschrieben ist, steuert der Steuerabschnitt 300 das Strömungsmengen-Steuerventil 133 basierend auf der Ausgangsgröße des Wasserstoffsensors 139 und der Ausgangsgröße des Sauerstoffsensors 140 in solcher Weise, dass das Verhältnis zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoffgas in der Verbrennungsvorrichtung 134 ein geeignetes Luft-Brennstoff-Verhältnis wird.
    • (3) Zusätzlich zu der zuvor erläuterten Steuerung des Ventils, die unter (1) beschrieben ist, detektiert der Steuerabschnitt 300 die Menge des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird und auch die elektrische Energieerzeugungsmenge, basierend auf dem Betriebsparameter, der aus dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 121 direkt oder indirekt erhalten wird, wodurch die Menge des Wasserstoff-Abgases eingeschätzt werden kann, die von der Brennstoffzelle 121 zur Außenseite ausgetragen wird und zwar periodisch, und/oder es kann die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas abgeschätzt werden. Die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 zugeführt wird, kann basierend auf der eingeschätzten Menge des Wasserstoff-Abgases eingestellt werden, welches von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und/oder anhand der Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas.
  • Bei dieser Ausführungsform ist die Möglichkeit gegeben die Menge des Wasserstoffs zu detektieren oder abzuschätzen, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird und zwar basierend auf dem Betriebsparameter, der während des Betriebes der Brennstoffzelle 121 erhalten wird. Es ist ferner möglich die Menge des Wasserstoff-Abgases einzuschätzen, die von der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und/oder die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas, und es ist die Möglichkeit gegeben die Strömungsmenge des Wasserstoffabgases einzustellen, die von dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 aus zugeführt wird.
  • (Zehnte Ausführungsform)
  • 10 zeigt eine zehnte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform wird die Fluktuation der Strömungsmenge oder des Druckes des Wasserstoff-Abgases, die durch das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 strömt, unterdrückt (geglättet) und zwar im Voraus durch eine Modifikation der Konstruktion der Kammer 132, die bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen verwendet wird. Wenn die Fluktuation des Druckes des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 strömt, klein ist, kann die Konstruktion des Strömungsmengen-Einstellventils 133 einfach sein. Auch kann eine Arbeitslast (Möglichkeit) der Unterdrückung einer pulsierenden Änderung in dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 reduziert werden.
  • Wie in 10A gezeigt ist, sind eine Vielzahl an Trennwänden 132a in der Kammer 132 vorgesehen. Die Innenseite der Kammer 132 ist in eine Vielzahl von Kammern aufgeteilt, die miteinander kommunizieren. Somit wird die Länge des Kanals des Wasserstoff-Abgases erhöht und es wird das Wasserstoff-Abgas in jede Kammer hinein diffundiert, wodurch die Gaskonzentration und der Gasdruck einheitlich gehalten werden.
  • 10B zeigt schematisch die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches in die Kammer 132 strömt. 10C zeigt schematisch die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Kammer 132 herausströmt. Die pulsierende Strömung des Wasserstoff-Abgases, welches von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 ausgetragen wird, wird durch die Kammer 132 geglättet. Demzufolge kann eine Reduzierung der Arbeitslast der Unterdrückung der pulsierenden Änderung in dem Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 erwartet werden, welches in einer Stufe nachfolgend der Kammer 132 angeordnet ist. Das Strömungsmengen-Einstellventil kann auch durch ein Drosselklappenventil gebildet sein.
  • (Elfte Ausführungsform)
  • In jeder der ersten bis neunten Ausführungsform wird das Strömungsmengen-Einstellventil 133 basierend auf dem Steuersignal von dem Steuerabschnitt 300 eingestellt, wodurch die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas gesteuert oder geregelt wird, welches über den Außenseiten-Abgaskanal 206 ausgetragen wird. Obwohl die Steuerung oder Regelung unter Verwendung des Strömungsmengen-Einstellventils 133 einen Vorteil bietet, das die Strömungsmenge und der Druck kontinuierlich eingestellt werden können (in einer analogen Weise), besitzt das Strömungsmengen-Steuerventil 133 eine komplizierte Konstruktion und ist kostspielig. Auch enthält die Steuersignalausgangsgröße von dem Steuerabschnitt 300 multivalente Informationen und ein Pegelsignal (analoges Signal) muss zugeführt werden, was die Arbeitslast der Berechnungsoperation erhöht.
  • Bei der elften Ausführungsform wird die zuvor erläuterte Funktion des Strömungsmengen-Einstellventils 133 unter Verwendung einer Vielzahl von elektromagnetischen Öffnungs-/Schließ-Ventilen erreicht, die eine einfachere Konstruktion haben und weniger kostspielig sind. Die Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile sind parallel geschaltet und die Durchmesser der Durchgänge oder Kanäle (oder der Widerstand der Durchgänge) werden äquivalent geändert und zwar entsprechend der Ein/Aus-Steuerung (Steuerung des Öffnens/Schließens der Ventile), was durch den Steuerabschnitt durchgeführt wird. Somit wird die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches in den Durchgängen oder Kanälen strömt, eingestellt, wodurch die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas, welches von dem Strömungsmengen-Einstellventil 133 ausgetragen wird, reduziert wird und vereinheitlicht wird.
  • 12 zeigt die elfte Ausführungsform der Erfindung. In 12 sind gleiche Abschnitte wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen.
  • Bei dieser Ausführungsform sind ein Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207, ein Druckeinstellventil 209, ein Mischabschnitt (Kammer) 231, elektromagnetische Öffnungs-/Schließ-Ventile 232, 233, 235, ein Auspufftopf (Schalldämpfer) 234, und ein Drucksensor 240 vorgesehen. Wie weiter oben beschrieben wurde wird das Wasserstoff-Abgas, welches aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, zu einer Einlassseite der Brennstoffzelle 121 über den Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal zurückgeleitet und wird erneut verwendet. Ein Teil des Wasserstoff-Abgases wird zur Außenseite der Brennstoffzelle 121 durch das Spülventil 131 ausgetragen. Das ausgetragene Wasserstoff-Abgas wird zu einem ersten Einlass des Mischabschnitts 231 geleitet und zwar über den Wasserstoffabgas-Kanal 203. Auch wird das Luft-Abgas, welches aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, zu dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234 über das Druckeinstellventil 209 und den Luftabgas-Kanal 205 geleitet. Die Luftmenge, die der Brennstoffzelle 121 zugeführt wird, wird durch den Kompressor 112 und das Druckeinstellventil 209 eingestellt. Die Luft zum Spülen wird einem zweiten Einlass des Mischabschnitts 231 von einem Auslassabschnitt des Kompressors 112 über das Öffnungs-/Schließ-Ventil 135 und den Spülluft-Versorgungskanal 207 zugeführt. Der Auslass des Mischabschnitts 231 ist mit dem Luftabgas-Kanal 205 über Auslasskanäle (Abgaskanäle) 211 und 212 verbunden. Das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 ist in dem Auslasskanal 211 vorgesehen, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 ist in dem Auslasskanal 212 vorgesehen. Die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 funktionieren als Druckeinstellventile (Einstellventile) wie noch später beschrieben wird.
  • Der Mischabschnitt 231 besteht aus einer Kammer mit einer Kapazität, die dafür ausreichend ist, um zeitweilig Gas darin zu speichern. In dem Mischabschnitt 231 wer den das Wasserstoff-Abgas und zugeführte frische Luft gemischt, um das Wasserstoff-Abgas zu spülen oder zu verdünnen und um die Konzentration des Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas zu reduzieren. Der Gasdruck innerhalb des Mischabschnitts 231 wird mit Hilfe des Drucksensors 240 detektiert. Der detektierte Druck wird zu dem Steuerabschnitt 300 übertragen und zwar in Form eines Detektionssignals. Der Mischabschnitt 231 kann dadurch ausgebildet werden indem ein Teil des Wasserstoffabgas-Kanals 203 unter Verwendung eines Rohres mit großem Durchmesser konfiguriert wird.
  • Das Wasserstoff-Abgas (verdünntes Gas), welches in dem Mischabschnitt 231 verdünnt wurde, wird mit dem Luft-Abgas in dem Luftabgas-Kanal 205 über wenigstens einen der Auslasskanäle 211 und 212 gemäß dem Zustand von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 gemischt. Somit wird das Wasserstoff-Abgas weiter verdünnt. Ein Abschnitt, an welchem die Auslasskanäle 211 und 212 und der Luftabgas-Kanal 205 verbunden sind, als Zusammenführabschnitt 205a. Das verdünnte Gas wird in den Auspuff oder Schalldämpfer 234 geleitet, wodurch die Fluktuation des Druckes reduziert wird und auch Störgeräusche reduziert werden. Der Schalldämpfer 234 kann durch die zuvor erläuterte Verbrennungsvorrichtung 134 ersetzt sein. Die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung des Wasserstoffs wird unter Verwendung eines (Platin)katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 durchgeführt und die Menge des Wasserstoffs, die zur Außenseite des Brennstoffzellensystems ausgetragen wird, kann reduziert werden. Dann kann die Konzentration des verbleibenden Wasserstoffs in dem Wasserstoff-Abgas ausreichend niedrig gemacht werden, es kann ferner die Temperatur des Wasserstoff-Abgases reduziert werden und es kann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen werden. Die anderen Abschnitte sind die gleichen wie in 1.
  • Bei der zuvor erläuterten Konfiguration sind die Auslasskanäle 211 und 212 mit dem Luftabgas-Kanal 205 verbunden, der mit dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234 verbunden ist. Jedoch können die Auslasskanäle 211 und 212 auch mit dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234 verbunden sein und der Zusammenführabschnitt 205a kann durch den Schalldämpfer gebildet sein. Auch kann die Strömungsmenge oder der Druck der Luft in dem Verdünnungsluft-Versorgungskanal 207 einfacher dadurch eingestellt werden indem ein Ventil verwendet wird, dessen Öffnungsbetrag eingestellt werden kann (ein Strömungsmengen-Steuerventil oder ein Druckeinstellventil) wie das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235.
  • Als nächstes wird unter Hinweis auf die 13A bis 13C ein Beispiel des Betriebes der elften Ausführungsform beschrieben. Die 13A bis 13C zeigen ein Betriebszeitsteuerdiagramm, bei dem eine horizontale Achse die verstrichene Zeit angibt und eine vertikale Achse den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils angibt, das heißt den Öffnungszustand (EIN-Zustand) und den Schließzustand (AUS-Zustand). 13A zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 an. 13B zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 an. 13C zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 233 an.
  • Wenn, wie in 13A gezeigt ist, der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 öffnet, wird der Druck in dem Mischabschnitt 231 scharf in einer früheren Stufe während der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 erhöht. Somit wird die Menge des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Luftabgas-Kanal 205 von dem Mischabschnitt 231 strömt, erhöht. Daher öffnet der Steuerabschnitt 300 lediglich das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232, durch welches das Verdünnungsgas ausgetragen wird, und es wird die Menge des Wasserstoffgases, die in den Luftabgas-Kanal 205 strömt, reduziert (13B). Nachdem der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen hat, wird der Druck in dem Mischabschnitt 231 reduziert. Der Steuerabschnitt 300 öffnet die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233, um das Verdünnungsgas, welches in dem Mischabschnitt 231 verblieben ist, zu dem Luftabgas-Kanal 205 hin auszutragen (13C). Da die Strömungsmenge des Verdünnungsgases, welches von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 zugeführt wird, entsprechend der Änderung in dem Druck des Wasserstoff-Abgases stromabwärts von dem Öffnungs-/Schließ-Ventil (Wasserstoffabgas-Austragventil) 131 in dieser Weise gesteu ert oder geregelt wird, wird der Spitzenwert der Konzentration des Wasserstoffs, der zur Außenseite des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, reduziert.
  • Als nächstes wird unter Hinweis auf die 14A bis 14C ein anderes Beispiel der Steueroperation für das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 beschrieben. Bei der Ausführungsform wird der Drucksensor 240, der für den Mischabschnitt 231 vorgesehen ist, verwendet.
  • Wenn das Detektionssignal von dem Drucksensor 240, der in 14A gezeigt ist, gleich ist mit oder höher ist als ein Schwellenwert, das heißt es ist der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 gleich mit oder größer als ein vorbestimmter Druck, werden beide Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 geöffnet, wie in 14B und 14C gezeigt ist. Wenn das Detektionssignal von dem Drucksensor 240 niedriger liegt als der Schwellenwert, das heißt der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 ist niedriger als der vorbestimmte Druck, wird lediglich das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 geöffnet und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 wird geschlossen, wie in 14B und in 14C gezeigt ist. Demzufolge wird eine pulsierende Änderung in der Strömungsmenge des Gases, welches von dem Mischabschnitt 231 ausgetragen wird, reduziert und die gleichen Wirkungen wie die zuvor erläuterten Wirkungen können erhalten werden. Somit wird jedes Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und 233 getrennt entsprechend dem Druckzustand stromaufwärts von den Öffnungs-/Schließ-Ventilen 232 und 233 gesteuert.
  • Bei der Ausführungsform sind zwei Öffnungs-/Schließ-Ventile zum Austragen des Gases für den Mischabschnitt 231 vorgesehen. Es können jedoch auch drei Öffnungs-/Schließ-Ventile zum Austragen des Gases für den Mischabschnitt 231 vorgesehen sein. Solch eine Vielzahl an Öffnungs-/Schließ-Ventilen kann durch den Steuerabschnitt 300 gesteuert werden. Wenn beispielsweise der durch den Drucksensor 240 detektierte Druck höher liegt als der vorbestimmte Druck, können die Öffnungs-/Schließ-Ventile sequenziell geöffnet werden, bis der detektierte Druck den vorbestimmten Druck erreicht hat und es kann die Querschnittsfläche der Wasserstoffabgas-Austragskanäle, die sich von dem Auslass des Mischabschnitts 231 aus erstrecken, vergrößert werden, so dass das Wasserstoff-Abgas auf einem vorbestimmten Druck liegend ausgetragen wird.
  • Auch brauchen die Querschnittsflächen der Vielzahl der Wasserstoffabgas-Austragskanäle, die sich von dem Auslass des Mischabschnitts 231 aus erstrecken, nicht notwendigerweise gleich sein. In einem Fall, bei dem die Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile vorgesehen sind und der Grund-Querschnittsbereich oder die Grund-Querschnittsfläche derselben 1 ist und die Querschnittsfläche derselben erhöht wird, so dass sie einer 2er Potenz entspricht (das heißt zwei Öffnungs-/Schließ-Ventile, die jeweils eine Querschnittsfläche von 1 haben, ein Öffnungs-/Schließ-Ventil, welches eine Querschnittsfläche von 2 hat und ein Öffnungs-/Schließ-Ventil mit einer Querschnittsfläche von 4 sind dabei vorgesehen) kann beispielsweise eine Querschnittsfläche eines Abschnitts, durch den das Wasserstoff-Abgas aus dem Mischabschnitt 231 ausgetragen wird, nahezu kontinuierlich eingestellt werden und zwar mit einem glatten Verlauf entsprechend der Zahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile indem man das Öffnen (EIN)/Schließen (AUS) der Vielzahl der Öffnungs-/Schließ-Ventile steuert. Es wird somit möglich die Wirkung der Einstellung des Druckes zu erhalten, die im Wesentlichen die gleiche ist wie diejenige des Druckeinstellventils.
  • Wenn ferner das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235, welches zwischen der stromabwärtigen (Außenseite) des Luftkompressors 112 und dem Mischabschnitt 231 vorgesehen ist, geöffnet wird, wird Luft von dem Luftkompressor 112 zu dem Mischabschnitt 231 geleitet. Daher wird es für einen Fall, bei dem das Wasserstoff-Abgas nicht in ausreichender Weise verdünnt ist oder in einem Fall, bei dem der Wasserstoff oxidiert wird und zwar unter Verwendung des Katalysators in dem Auspufftopf oder Schalldämpfer 234, möglich eine Knappheit der Sauerstoffmenge zu kompensieren. In einem Fall, bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 geöffnet wird, wenn alle Öffnungs-/Schließ-Ventile 131, 232, 233 geschlossen sind, wird es möglich den Einfluss des Öffnens des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 auf die pulsierende Änderung in der Strömungsmenge des Mischgases, welches aus dem Mischabschnitt 231 ausgetragen wird, zu reduzieren und zwar verglichen mit dem Fall, bei das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 geöffnet wird, wenn eines der Ventile gemäß dem Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und 233 geöffnet wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt, bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 lediglich geöffnet wird, wenn alle Öffnungs-/Schließ-Ventile 131, 232 und 233 geschlossen sind.
  • Auch kann der Öffnungs-/Schließ-Betrag der Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 durch den Steuerabschnitt 300 entsprechend dem Öffnungszustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 eingestellt werden, welches das Wasserstoffspülventil darstellt und zwar ohne die Verwendung des Drucksensors 240. Beispielsweise werden sowohl in dem Fall, bei dem das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet ist und zwar für eine vorbestimmte Öffnungszeitperiode und der Zyklus, von welchem an das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geschlossen wird bis zu dem Zeitpunkt, wenn das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 das nächste Mal geöffnet wird und sich dieser Zyklus ändert, und auch im Fall, bei dem der Zyklus konstant ist und die Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro Einheitszyklus geändert wird, werden die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233, die Strömungsmengeneinstelleinrichtungen bilden, in geeigneter Weise geöffnet und zwar entsprechend dem Anteil der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 pro Zeiteinheit, wodurch dann die Strömungsmenge eingestellt werden kann. Wenn beispielsweise der Anteil der Öffnungszeitperiode des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 größer wird, werden die Öffnungs-/Schließ-Ventile 232 und 233 um einen größeren Betrag oder Grad geöffnet, wodurch der Druck des Wasserstoff-Abgases in dem Mischabschnitt 231 im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, ohne einen spezifischen Sensor vorzusehen. Somit wird es möglich eine pulsierende Strömung des Wasserstoff-Abgases zu unterdrücken, welches dem Auspufftopf oder Schalldämpfer (oder der Verbrennungsvorrichtung) 234 zugeführt wird und auch möglich die Menge des ausgetragenen Wasserstoff-Abgases zur gleichen Zeit einzustellen. Diese Betriebsweise kann ausgeführt werden, da der Steuerabschnitt 300, der die Steuerung des Öffnungszustandes des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 durchführt, das heißt die Steuerung durchführt um zu entscheiden ob das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 geöffnet oder geschlossen wird, den Öffnungszustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 detektiert und ein Signal zur Steuerung des Üffnungs-/Schließ-Betrages des Strömungsmengen-Einstellventils 133 erzeugt.
  • (Zwölfte Ausführungsform)
  • Bei jeder der ersten bis neunten Ausführungsform und auch der elften Ausführungsform wird der Gasdruck (positiver Druck) von der stromaufwärtigen Seite der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffabgas-Kanals aufgebracht oder angewendet, wodurch das Wasserstoff-Abgas zu der Kammer 132 oder dem Mischabschnitt 231 geleitet wird und es wird auch ferner das Wasserstoff-Abgas verdünnt oder wird einer Verbrennungsbehandlung unterworfen und das Wasserstoff-Abgas wird dann ausgetragen. Bei der Ausführungsform wird ein negativer statischer Druck in dem Mischabschnitt (Kammer) 231 gebildet, wodurch das Wasserstoff-Abgas von der stromaufwärtigen zu der stromabwärtigen Seite des Wasserstoffabgas-Kanals bewegt wird. Dann wird das Wasserstoff-Abgas zu dem Mischabschnitt 231 geleitet und wird in dem Mischabschnitt 231 gespeichert und der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 wird auf dem gleichen Druck gehalten wie der Gasdruck in dem Luftabgas-Kanal (beispielsweise angenähert dem normalen Druck, das heißt dem Atmosphärendruck). Als nächstes wird dann Luft in den Mischabschnitt 231 eingeleitet und es wird das Wasserstoff-Abgas verdünnt und das verdünnte Wasserstoff-Abgas wird zu dem Luftabgas-Kanal hin ausgetragen. Es wird somit möglich eine pulsierende Änderung in der Konzentration des Wasserstoffgases zu unterdrücken, welches zur Außenseite des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, die durch eine pulsierende Strömung des Wasserstoff-Abgases verursacht wird, welches aus dem Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal ausgetragen wird (das heißt es wird möglich die Konzentration des Wasserstoffgases, welches zur Außenseite des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, zu vereinheitlichen).
  • 15 zeigt die zwölfte Ausführungsform. In 15 sind Abschnitte, welche die gleichen sind wie in 12 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und eine Beschreibung derselben wird hier weggelassen. Die zwölfte Ausführungsform ist die gleiche wie die elfte Ausführungsform mit der Ausnahme, dass ein Negativdruck oder Un terdruck-Ausbildungskanal 208, der das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 enthält, zwischen dem Luftversorgungs-Kanal 202 und der stromaufwärtigen Seite (Ansaugseite) des Luftkompressors 112 und dem Mischabschnitt 231 vorgesehen ist. Bei der Ausführungsform kann der Luftabgas-Kanal 205 als erster Kanal der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der Wasserstoffabgas-Kanal 203, der Mischabschnitt 231, die Auslasskanäle 211 und 212 können als zweiter Kanal der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der Luftkompressor 112, der Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207 und der Negativdruck-Ausbildungskanal 208 können als Druckeinstelleinrichtung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Auch können Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235, der Negativdruck-Ausbildungskanal 208 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 als Einstellkanal der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Der Einstellkanal dient als ein Abschnitt des zweiten Kanals zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases und zum Austragen des verdünnten Wasserstoff-Abgases, und ist in dem zweiten Kanal enthalten.
  • Wie oben beschrieben ist, enthält die Druckeinstelleinrichtung beispielsweise die Pumpe und das Öffnungs-/Schließ-Ventil. Auch ist die Druckeinstelleinrichtung mit wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal verbunden. Die Druckeinstelleinrichtung kann sowohl an den ersten Kanal als auch an den zweiten Kanal angeschlossen sein. In einem Fall, bei dem die Druckeinstellung durchgeführt wird, ist der Drucksensor in geeigneter Weise in einem der Kanäle vorgesehen und zwar dem ersten Kanal, dem zweiten Kanal und dem Zusammenführabschnitt, und die Druckeinstelleinrichtung stellt eine Beziehung zwischen dem Druck des Wasserstoff-Abgases und dem Druck des Gases zur Verdünnung an dem Zusammenführabschnitt ein. Der Druckwert kann durch Detektieren einer Beziehung zwischen dem Druck in dem ersten Kanal und dem Druck in dem zweiten Kanal detektiert werden oder kann durch Detektieren einer relativen Beziehung zwischen dem Druck in dem ersten Kanal und dem Druck in dem zweiten Kanal detektiert werden. Die Druckeinstellung zielt darauf, die Menge (Konzentration) des Wasserstoff-Abgases einzustellen und diejenige des Gases zum Verdünnen und zwar an dem Zusammenführungsabschnitt. Die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas wird so eingestellt, dass sie in einem Ziel-Verdünnungsbereich liegt und zwar durch Einstellen der Menge des Mischgases. Andere Abschnitte der Konfiguration sind die gleichen wie diejenigen in 12.
  • Als nächstes wird unter Hinweis auf die 16A bis 16E die Steueroperation bei der zwölften Ausführungsform beschrieben. In den 16A bis 16E gibt eine horizontale Achse die verstrichene Zeit an und die vertikale Achse gibt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils an. 16A zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 236. 16B zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 131 an. 16C zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 an. 16D zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 233 an. 16E zeigt den Zustand des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 an. Der Steuerabschnitt 300 führt eine weiter unten beschriebene Steuerung durch, wenn eine Spüloperation ausgeführt wird, um das Wasserstoff-Abgas zur Außenseite des Brennstoffzellensystems hin auszutragen.
    • (1) Der Steuerabschnitt 300 öffnet das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 und schließt das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 in einem frühen Zustand während des Zykluses des Austragens des Wasserstoff-Abgases zur Außenseite hin (siehe hierzu 16A). In diesem Zustand sind der Wasserstoffabgas-Kanal 203, der Verdünnungsluft-Zufuhrkanal 207, über den Gas in den Mischabschnitt 231 eingeleitet werden kann, und sind die Auslasskanäle 211 und 212 blockiert. Da die Gaskanäle, durch die das Gas in den Mischabschnitt 231 hineinströmt und herausströmt, blockiert sind und das Gas innerhalb des Mischabschnittes 231 durch den Unterdruck oder Negativdruck-Erzeugungskanal 203 angesaugt wird und zwar unter Verwendung des Luftkompressors 112, der zum Erzeugen von elektrischer Energie arbeitet, wird der Druck innerhalb des Mischabschnittes 231 vorlaufend reduziert.
    • (2) Nachdem der Steuerabschnitt 300 bestimmt hat, dass das Ausgangssignal des Drucksensors 240 einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat, das heißt nachdem der Steuerabschnitt 300 detektiert hat, dass der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 auf den vorbestimmten Druck reduziert wurde, schließt der Steuerabschnitt 300 das Öff nungs-/Schließ-Ventil 236. Somit wird ein statischer negativer Druck oder Unterdruck in dem Mischabschnitt 231 gebildet.
    • (3) Wenn der Steuerabschnitt 300 lediglich das Öffnungs-/Schließ-Ventil 131 öffnet, strömt das Wasserstoff-Abgas in den Mischabschnitt 231 von der Seite der Brennstoffzelle 121 aus (siehe 16B).
    • (4) Wenn das Ausgangssignal des Drucksensors 240 anzeigt, dass der Gasdruck in dem Mischabschnitt 231 im Wesentlichen den normalen Druck erreicht hat, öffnet der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232. Somit wird Luft in den Mischabschnitt 231 durch den Kompressor 112 eingeleitet und das Wasserstoff-Abgas und die Luft werden gemischt, um ein verdünntes Gas zu bilden. Das verdünnte Gas strömt dann in den Zusammenführungsabschnitt 205a des Luftabgas-Kanals 205 über den Luftabgas-Kanal 205 (siehe hierzu 16C und 16E).
    • (5) Nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Öffnen des Öffnungs-/Schließ-Ventils 235 des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 verstrichen ist oder nachdem der Gasdruck, der durch den Drucksensor 240 detektiert wird, abgenommen hat, öffnet der Steuerabschnitt 300 ferner das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233 in solcher Weise, dass die Strömungsmenge des Mischgases, welche in den Zusammenführungsabschnitt 205a des Luftabgas-Kanals 205 strömt, auf einem konstanten Wert gehalten wird.
    • (6) Nachdem seit dem Öffnen des Öffnungs-/Schließ-Ventils 232 eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, schließt der Steuerabschnitt 300 das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235, das Öffnungs-/Schließ-Ventil 232 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 233.
    • (7) Der Steuerabschnitt 300 führt wiederholt die Schritte (1) bis (6) während der zuvor erläuterten Spüloperation durch.
  • Da diese Steuerung durchgeführt wird kann eine Differenz zwischen dem Druck des Luft-Abgases und dem Druck des Wasserstoff-Abgases in dem Zusammenführungsabschnitt 205a eingestellt werden und es kann eine pulsierende Änderung in der Menge des ausgetragenen Wasserstoff-Abgases reduziert werden. Da ferner das Wasserstoff-Abgas in den Mischabschnitt 231 von dem Wasserstoffabgas-Zirkulierkanal 204 aus eingeleitet wird und das verdünnte Wasserstoff-Abgas aus dem Mischabschnitt 231 zu dem Luftabgas-Kanal 205 während unterschiedlicher Zeitperioden ausgetragen wird, kann das Einleiten des Wasserstoff-Abgases, welches aus der Brennstoffzelle 121 ausgetragen wird, und zwar in den Mischabschnitt 231 und das Austragen des Wasserstoff-Abgases von dem Mischabschnitt 231 zum Luftabgas-Kanal 205 durchgeführt werden, ohne dass eine Behinderung unter diesen Vorgängen auftritt (unter unterschiedlichen Bedingungen), was vorteilhaft ist.
  • Bei der zuvor erläuterten Ausführungsform wird der Kompressor 112 dazu verwendet, um den negativen Druck oder Unterdruck in dem Mischabschnitt 231 zu erzeugen. Es kann jedoch auch eine Luftpumpe oder eine Vakuumpumpe dafür vorgesehen sein, um den negativen Druck in dem Mischabschnitt 231 zu erzeugen. Auch wenn Verdünnungsluft in den Mischabschnitt 231 eingeleitet wird, kann die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas dadurch reduziert werden indem die Ausgangsleistung des Kompressors (beispielsweise durch Erhöhen der Drehzahl desselben) so erhöht wird, so dass die Menge an Luft, die dem Mischabschnit 231 zugeführt wird, erhöht wird. Auch kann jedes Öffnungs-/Schließ-Ventile 235 und 236 aus einem Ventil bestehen, dessen Öffnungsbetrag eingestellt werden kann. Da auch das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236 komplementär betrieben werden, kann ein Kanal zwischen den Öffnungs-/Schließ-Ventilen 235 und 236 und dem Mischabschnitt 231 ausgebildet sein indem der den negativen Druck ausbildende Kanal 208 mit dem Verdünnungsluft-Zuführkanal 207 verbunden wird. Die Druckeinstellung kann mit einer höheren Genauigkeit unter Verwendung eines Ventils vorgenommen werden, dessen Öffnungsbetrag eingestellt werden kann und zwar für das Öffnungs-/Schließ-Ventil 235 und/oder das Öffnungs-/Schließ-Ventil 236, wobei das Ventil mit dem Kompressor 112 kombiniert wird.
  • Wie oben beschrieben wurde ist bei der Ausführungsform der Erfindung das Strömungsmengen-Steuerventil (Einstellventil) 133 zum Einstellen der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases in dem Wasserstoffabgas-Kanal (Wasserstoffabgas-Kanal) 203 für die Brennstoffzelle 121 vorgesehen. Das Strömungsmengen-Steuerventil 133 unterdrückt die pulsierende Änderung in der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches intermittierend aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, in solcher Weise, dass die Strömungsmenge im Wesentlichen konstant wird, wobei das Wasserstoff-Abgas der Verbrennungsvorrichtung oder dem Auspufftopf bzw. Schalldämpfer zugeführt wird. Die konstante Menge wird in geeigneter Weise entsprechend der Austragmenge des Wasserstoff-Abgases eingestellt, ebenso abhängig von der Menge des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird, dem Luft-Brennstoff-Verhältnis zwischen dem ausgetragenen Wasserstoff und dem Sauerstoff, der Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung, der Konzentration des Wasserstoffes, welches in dem Gas verbleibt, welches zur Atmosphäre von der Verbrennungsvorrichtung ausgetragen wird, und ähnlichem. Somit verläuft der Betrieb des Katalysators stabil und die Verbrennungsbehandlung oder Nachverbrennung für das Wasserstoffgas kann unter Verwendung einer kleinen Menge des Katalysators ausgeführt werden. Es ist auch möglich die Verbrennungsbehandlung für das Wasserstoffgas perfekter auszuführen und mit einer Zunahme/Abnahme des Wasserstoff-Abgases fertig zu werden. Es wird auch möglich die Konzentration des verbleibenden Wasserstoffes in dem Gas, welches zur Außenseite des Fahrzeugs hin ausgetragen wird, auf einem niedrigen Wert zu halten.
  • Die zuvor erläuterten Ausführungsform können miteinander in verschiedenster Weise kombiniert werden. Obwohl beispielsweise die Mengen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases, die der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt werden, in solcher Weise eingestellt werden, dass das Luft-Brennstoff-Verhältnis einen optimalen Wert erreicht wie bei der siebenten Ausführungsform, kann die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases auch reduziert werden und es kann die Zufuhrmenge des Luft-Abgases erhöht werden, wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher wird als ein vorbestimmter Wert und zwar bei der siebenten Ausführungsform.
  • Auch kann bei der neunten Ausführungsform die Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases reduziert werden und es kann die Zufuhrmenge des Luft-Abgases erhöht werden, wenn die Temperatur des Katalysators in der Verbrennungsvorrichtung 134 höher wird als ein vorbestimmter Wert. Ferner können die Strömungsmengen-Steuerventile 133 und 135 in solcher Weise gesteuert werden, dass der Wasserstoff in dem ausgetragenen Gas beseitigt wird, wenn die Konzentration des Wasserstoffes in dem Gas, welches aus der Verbrennungsvorrichtung 134 ausgetragen wird, höher wird als ein vorbestimmter Wert.
  • Auch kann das zuvor erläuterte Brennstoffzellensystem bei einem System oder einem Antrieb angewendet werden, der anders ist als bei einem Fahrzeug und die Verbrennungsvorrichtung 134 kann aus einem Brenner bestehen.
  • Bei den ersten bis neunten Ausführungsform kann anstelle der Zufuhr von jeweils dem Wasserstoff-Abgas und dem Luft-Abgas direkt in die Verbrennungsvorrichtung 134 das Wasserstoff-Abgas und auch das Luft-Abgas in der Kammer 231 gemischt werden, wie in 12 gezeigt ist, und es kann dann das gemischte Gas der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt werden. Da bei solch einer Konfiguration das durch ausreichendes Mischen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases gebildete Gas der Verbrennungsvorrichtung 134 zugeführt wird, wird der Wasserstoff in dem Gas effizient durch den Katalysator oxidiert.
  • Bei den zuvor erläuterten Ausführungsform ist eine Kammer zum Mischen des Wasserstoff-Abgases und des Luft-Abgases zwischen dem Strömungsmengen-Steuerventil 133 und der Verbrennungsvorrichtung 134 vorgesehen. Auch wenn die Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas, welches aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, niedrig ist, kann die Verbrennungsvorrichtung 134 aus der Verbrennungsvorrichtung bestehen, die in 10A gezeigt ist.
  • Bei den zuvor erläuterten Ausführungsformen wird das Wasserstoff-Abgas intermittierend aus der Brennstoffzelle ausgetragen. Jedoch kann die Erfindung auch bei einem Fall angewendet werden, bei dem das Wasserstoff-Abgas kontinuierlich aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird. Es wird erwartet, dass die gleichen Wirkungen erzielt werden indem eine Änderung in der Menge des Wasserstoffgases, welches kontinuierlich aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird, auch in diesem Fall unterdrückt wird.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem
  • Ein Brennstoffzellensystem reduziert die Menge an Wasserstoff in einem Wasserstoff-Abgas, welches aus einer Brennstoffzelle (121) ausgetragen wird, und trägt dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin aus, enthält ein Einstellventil (133), welches eine pulsierende Änderung in einer Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases unterdrückt, welches intermittierend aus der Brennstoffzelle (121) zu einem Abgaskanal hin ausgetragen wird, und daher in dem Abgaskanal in einer pulsierenden Weise strömt, so dass die Strömungsmenge konstant wird (stabil wird).

Claims (30)

  1. Brennstoffzellensystem, welches eine Konzentration von Wasserstoff in einem Wasserstoff-Abgas reduziert, das aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird und bei dem dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird, mit: einem Einstellventil, welches eine Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases auf eine konstante Strömungsmenge einstellt, wobei das Einstellventil in einem Abgaskanal vorgesehen ist, durch den Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und zu einer Außenseite des Brennstoffzellensystems geleitet wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem das Einstellventil aus einem elektromagnetischen Ventil besteht; dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag basierend auf einem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gesteuert wird.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, ferner mit: einer Gaszustand-Detektoreinrichtung zum Detektieren eines Mengenzustandes des Wasserstoff-Abgases in dem Abgaskanal in Form eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, wobei das Einstellventil basierend auf dem detektierten Mengenzustand gesteuert wird.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit: einem Zusammenführungsabschnitt, in welchem ein Sauerstoff enthaltendes Strömungsmittel und das Wasserstoff-Abgas gemischt werden, wobei der Zusammenführungsabschnitt stromabwärts von dem Einstellventil vorgesehen ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, bei der Zusammenführungsabschnitt eine Wasserstoff-Reduzierungseinrichtung zum Reduzieren der Menge des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas enthält, indem das Wasserstoff-Abgas mit dem Strömungsmittel gemischt wird.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem die Wasserstoffabgas-Reduzierungseinrichtung eine Umwandlungseinrichtung enthält, um das Wasserstoff-Abgas unter Verwendung des Strömungsmittels zu oxidieren.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, bei dem die Gaszustand-Detektoreinrichtung eine erste Detektoreinrichtung enthält, um einen Mengenzustand (state quantity) des Wasserstoff-Abgases zu detektieren, welches in die Umsetzeinrichtung strömt, und bei dem das Einstellventil die Zufuhrmenge des Strömungsmittels einstellt, die der Umsetzeinrichtung zugeführt wird und zwar basierend auf dem detektierten Mengenzustand des Wasserstoff-Abgases.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, ferner mit: einer zweiten Detektoreinrichtung zum Detektieren eines Mengenzustandes (quantity state) des Strömungsmittels, welches in die Umsetzeinrichtung hineinströmt und zwar in Form eines Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, wobei das Einstellventil aus einem elektromagnetischen Ventil besteht, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag basierend auf der detektierten Zustandsmenge des Strömungsmittels gesteuert oder geregelt wird.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Umsetzeinrichtung einen Katalysator enthält, der den Wasserstoff in dem Wasserstoff-Abgas oxidiert; das Brennstoffzellensystem ferner eine Temperaturdetektoreinrichtung enthält, um eine Temperatur des Katalysators als den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zu detektieren; und wobei der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils basierend auf der detektierten Temperatur eingestellt oder geregelt wird.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, bei dem eine Zufuhrmenge des Wasserstoff-Abgases, welches der Umsetzeinrichtung zugeführt wird, basierend auf der detektierten Temperatur unter Verwendung des Einstellventils gesteuert oder geregelt wird.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Zufuhrmenge des Strömungsmittels, welches der Umsetzeinrichtung zugeführt wird, basierend auf der detektierten Temperatur unter Verwendung des Einstellventils gesteuert oder geregelt wird.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem das Strömungsmittel Sauerstoff-Abgas ist, welches aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird; die erste Detektoreinrichtung wenigstens eine der Größen gemäß einer Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases und eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas detektiert; die zweite Detektoreinrichtung wenigstens eine der Größen gemäß einer Strömungsmenge des Sauerstoff-Abgases und einer Konzentration des Sauerstoffes in dem Sauerstoff-Abgas detektiert; und der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils entsprechend wenigstens einer der Größen gemäß der Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases und der Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas und entsprechend wenigstens einer der Größen gemäß der detektierten Strömungsmenge des Sauerstoff-Abgases und der Konzentration des Sauerstoffes in dem Sauerstoff-Abgas einstellbar ist.
  13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 12, ferner mit: einer dritten Detektoreinrichtung zum Detektieren einer Konzentration des Wasserstoffes in dem Abgas, welches von der Umsetzeinrichtung ausgetragen wird, als Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, wobei der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils basierend auf der detektierten Konzentration des Wasserstoffes steuerbar oder regelbar ist.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, bei dem die Wasserstoff-Reduzierungseinrichtung eine Verdünnungsvorrichtung enthält, welche eine Konzentration des Wasserstoffes in dem Wasserstoff-Abgas reduziert.
  15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 14, ferner mit: einer vierten Detektoreinrichtung zum Detektieren eines Betriebszustandes der Brennstoffzelle als Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, wobei der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils basierend auf dem Betriebszustand der Brennstoffzelle steuerbar oder regelbar ist.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Gaszustand-Detektoreinrichtung stromaufwärts von dem Einstellventil vorgesehen ist und bei dem das Einstellventil basierend auf der detektierten Zustandsmenge steuerbar oder regelbar ist.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 16, bei dem die Gaszustand-Detektoreinrichtung den Druck des Wasserstoff-Abgases als Zustandsmenge des Wasserstoff-Abgases detektiert und der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils entsprechend dem detektierten Druck einstellbar ist.
  18. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3, 16 und 17, bei dem die Gaszustand-Detektoreinrichtung den Mengenzustand des Wasserstoff-Abgases basierend auf einem Öffnungs-/Schließ-Zustand eines Wasserstoffspülventils ableitet, welches das Wasserstoff-Abgas aus der Brennstoffzelle zu dem Abgaskanal hin austrägt.
  19. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1, 16 bis 18, bei dem die Strömungsmenge des Wasserstoff-Abgases, welches zu dem Abgaskanal geleitet wird, durch Einstellen eines Öffnungsquerschnittes des Einstellventils einstellbar ist.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, bei dem der Abgaskanal wenigstens zwei Abgaskanäle umfasst, durch die das Wasserstoff-Abgas zur Außenseite des Brennstoffzellensystems geleitet wird; und das Einstellventil Öffnungs-/Schließ-Ventile enthält, von denen jedes in jedem der wenigstens zwei Abgaskanäle vorgesehen ist.
  21. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 20, bei dem das Öffnen/Schließen von jedem der Öffnungs-/Schließ-Ventile gemäß der detektierten Zustandsmenge (state quantity) steuerbar oder regelbar ist.
  22. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 21, ferner mit: einer Kammer, die zeitweilig Gas speichert, welches das Wasserstoff-Abgas enthält, wobei die Kammer stromaufwärts von dem Einstellventil in dem Abgaskanal vorgesehen ist.
  23. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22, bei dem die Gaszustand-Detektoreinrichtung den Druck in der Kammer detektiert; und bei dem der Öffnungs-/Schließ-Betrag des Einstellventils entsprechend dem detektierten Druck einstellbar ist.
  24. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem das Einstellventil aus einem mechanischen Ventil besteht.
  25. Brennstoffzellensystem, welches das Wasserstoff-Abgas verdünnt, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin austrägt, mit: einem ersten Kanal, durch den Verdünnungsgas, welches zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases verwendet wird, strömt; einem zweiten Kanal, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle her ausgetragen wird; einen Zusammenführungsabschnitt, an dem der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind; und einer Druckeinstelleinrichtung zum Einstellen des Druckes des Wasserstoff-Abgases und des Druckes des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt, wobei die Druckeinstelleinrichtung in wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
  26. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25, bei dem die Druckeinstelleinrichtung in dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
  27. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 25 oder 26, bei dem die Druckeinstelleinrichtung einen Luftkompressor enthält, der in einem Oxidiergas-Versorgungskanal auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen ist, und einen Einstellkanal enthält, der wenigstens eine Ansaugseite und eine Austragsseite des Luftkompressors und des zweiten Kanals verbindet.
  28. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27, bei dem die Druckeinstelleinrichtung ein Öffnungs-/Schließ-Ventil enthält, dessen Öffnungs-/Schließ-Betrag gemäß dem Druck in dem Zusammenführungsabschnitt einstellbar ist, wobei das Öffnungs-/Schließ-Ventil in dem Einstellkanal vorgesehen ist.
  29. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 27 oder 28, bei dem der Einstellkanal einen ersten Einstellkanal umfasst, der einen Zufuhrkanal auf der Ansaugseite des Luftkompressors und den zweiten Kanal verbindet, und einen zweiten Einstellkanal umfasst, der einen Versorgungskanal auf der Austragsseite des Luftkompres sors und den zweiten Kanal verbindet; das Brennstoffzellensystem ferner eine Drucksteuereinrichtung enthält, um den Druck des Wasserstoff-Abgases niedriger einzustellen als den Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt durch Herstellen eines negativen Druckes in dem zweiten Kanal über den ersten Einstellkanal unter Verwendung des Luftkompressors, und um den Druck des Wasserstoff-Abgases in dem zweiten Kanal höher einzustellen als den Druck des Verdünnungsgases in dem zes in dem zweiten Kanal höher einzustellen als den Druck des Verdünnungsgases in dem Zusammenführungsabschnitt, über den zweiten Einstellkanal unter Verwendung des Luftkompressors.
  30. Brennstoffzellensystem, bei dem das Wasserstoff-Abgas, welches aus einer Brennstoffzelle ausgetragen wird, verdünnt wird und dann das Wasserstoff-Abgas zur Atmosphäre hin ausgetragen wird, mit: einem ersten Kanal, durch den das Verdünnungsgas, welches zum Verdünnen des Wasserstoff-Abgases verwendet werden kann, strömt; einem zweiten Kanal, durch den das Wasserstoff-Abgas von der Brennstoffzelle ausgetragen wird; einem Zusammenführungsabschnitt, an dem der erste Kanal und der zweite Kanal angeschlossen sind; und einer Druckeinstellvorrichtung, die den Druck des Wasserstoff-Abgases und den Druck des Verdünnungs-Abgases in dem Zusammenführungsabschnitt einstellt, wobei die Druckeinstellvorrichtung in wenigstens einem der Kanäle gemäß dem ersten Kanal und dem zweiten Kanal vorgesehen ist.
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