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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Ein
Brennstoffzellensystem ist so aufgebaut, dass einer Brennstoffzelle
ein Brenngas und ein gasförmiges Oxidationsmittel über
entsprechende Durchlässe für die Gaszufuhr zugeführt
werden, um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion dieser
Gase in einem Brennstoffzellenkörper zu erzeugen. Durch
die elektrochemische Reaktion wird in dem Brennstoffzellenkörper
Wasser erzeugt und dieses Wasser ist in dem Abgas eines Oxidationsmittels (einem
aus dem Brennstoffzellenkörper abgeführten gasförmigen
Oxidationsmittel) enthalten, das aus dem Brennstoffzellenkörper
abgeführt wird. Es wird angemerkt, dass Wasser normalerweise
auch in einem Abgas des Brenngases (einem aus dem Brennstoffzellenkörper
abgeführten Brenngas) enthalten ist, da das Brenngas dem
Brennstoffzellenkörper über einen Elektrolyten
zugeführt wird.
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Wenn
die Außenlufttemperatur bei Stillstand des Brennstoffzellensystems
auf den Gefrierpunkt oder darunter abfällt, kann die in
den in den Ventilen, Rohren und anderen in den Gasdurchlässen
des Systems angeordneten Bestandteilen enthaltene Feuchtigkeit daher
kondensieren und gefrieren. In einem solchen Fall kann es sein,
dass es nicht möglich ist das Brennstoffzellensystem zu
aktivieren, selbst wenn geeignete Maßnahmen zur Aktivierung
des Brennstoffzellensystems getroffen werden; oder selbst wenn das
System aktiviert ist, kann es zum Beispiel nicht richtig funktionieren.
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In
Anbetracht eines solches Problems wird ein Verfahren zum Entfernen
von Restfeuchte durch Reinigen des Durchlasses für das
gasförmige Oxidationsmittel und des Durchlasses für
das Brenngas des Brennstoffzellensystems unter Verwenden eines gasförmigen
Oxidationsmittels (Luft), das vor Unterbrechen des Brennstoffzellensystem
aus einem Kompressor zugeführt wird, vorgeschlagen (siehe die
offen gelegte
Japanische
Patentanmeldung Nr. 2002-313395 ).
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Offenbarung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösendes
Problem
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Selbst
wenn die in der obigen Druckschrift offenbarte Technik zum Entfernen
von Restfeuchte in dem Brennstoffzellensystem vor Unterbrechen des Systems
verwendet wird, wird jedoch, wenn dieses System anschließend
bei niedrigen Temperaturen aktiviert wird, durch die in der Brennstoffzelle
ablaufende elektrochemische Reaktion immer noch Wasser erzeugt.
Da die Hauptdurchlässe Gase mit hohen Temperaturen, wie
das Brennabgas oder das Oxidationsmittelabgas, die darin stetig
zirkulieren, aufweisen, können die in diesen Hauptdurchlässen
angeordneten Rohre und Ventile in diesem Fall in direkten Kontakt
mit diesen Gasen mit hohen Temperaturen kommen und durch diese Gase
erwärmt werden, so dass es nicht wahrscheinlich ist, dass
an diesen Stelle während des Betriebs des Systems ein Gefrieren auftritt.
Ventile und Rohre, die relativ weit von den Hauptdurchlässen
entfernt angeordnet sind, können jedoch nicht mit solchen
Gasen mit hohen Temperaturen in Kontakt kommen, so dass ihre Temperaturen nahe
der Außenlufttemperatur liegen können, selbst wenn
das System in Betrieb ist. Wenn das durch die in der Brennstoffzelle
nach der Aktivierung des Systems erfolgende elektrochemische Reaktion
erzeugte Wasser mit solchen Ventilen und Rohren mit niedrigen Temperaturen
in Kontakt kommt, kann an diesen Stellen entsprechend ein Gefrieren
auftreten, selbst wenn das System in Betrieb ist. Insbesondere wird
angemerkt, dass die Rohre, wenn in den Rohren ein Gefrieren auftritt,
blockiert werden können und das System zum Beispiel am
richtigen Funktionieren gehindert werden kann.
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Die
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, eines
oder mehrere der oben beschriebenen Probleme zu lösen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, dass einem Gefrieren von
Bestandteilen effizient vorbeugen kann, die bei niedrigen Temperaturen
nicht leicht Wärme aus der Brennstoffzelle aufnehmen können.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart,
das einen Brennstoffzellenkörper, der Elektrizität
durch eine elektrochemische Reaktion eines ersten reaktiven Gases
und eines zweiten reaktiven Gases erzeugt, einen ersten Durchlass
für die Gaszufuhr und einen zweiten Durchlass für
die Gaszufuhr, die entsprechend das erste reaktive Gas und das zweite
reaktive Gas dem Brennstoffzellenkörper zuführen,
einen ersten Durchlass für den Gasabfluss und einen zweiten
Durchlass für den Gasabfluss, die entsprechend ein Abgas
des ersten reaktiven Gases und ein Abgas des zweiten reaktive Gases
aus dem Brennstoffzellenkörper abführen, und einen
verzweigten Durchlass, der sich von einem des ersten Durchlasses
für den Gasabfluss oder des zweiten Durchlasses für
den Gasabfluss verzweigt, einschließt, wobei das durch
den anderen des ersten Durchlasses für den Gasabfluss oder
des zweiten Durchlasses für den Gasabfluss abgeführte
Abgas so geführt ist, dass es durch den verzweigten Durchlass
fließt.
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In
einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können
Bestandteile, wie Rohre oder Ventile, die in einem verzweigten Durchlass
für eine Art von Abgas angeordnet sind, gewöhnlich
nicht mit einem Abgas mit hoher Temperatur in Kontakt kommen und
daher dafür anfällig sind, bei niedrigen Temperaturen
zu gefrieren, durch die Wärme einer anderen Art von Abgas
aus einem Durchlass für den Abfluss dieser anderen Art
von Abgas erwärmt werden, so dass einem Gefrieren dieser
Bestandteile vorgebeugt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem
einen Bypassdurchlass einschließen, der das Abgas des anderen der
Durchlässe für den Gasabfluss zu dem verzweigten
Durchlass transportiert. Es wird angemerkt, dass sich das Transportieren
des Abgases zu dem verzweigten Durchlass darauf beziehen kann, dass
das Abgas eines relevanten reaktiven Gases direkt in den verzweigten
Durchlass eingeführt wird oder dass das Abgas des relevanten
reaktiven Gases in einen benachbarten Bereich des verzeigten Durchlasses
eingeführt wird, um die Wärme des Abgases auf
den verzweigten Durchlass zu übertragen. Durch Bereitstellen
eines solchen Bypassdurchlasses können die oben beschriebenen
vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zuverlässiger
erreicht werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem
ferner eine Regelvorrichtung zum Einführen des Abgases des
anderen der Abflussdurchlässe in den Bypassdurchlass einschließen.
In diesem Fall kann das Abgas durch die Regelvorrichtung zuverlässig
in den Bypassdurchlass eingeführt werden, so dass einem Gefrieren
der relevanten Bestandteile effizienter vorgebeugt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Magnetventil
in dem verzweigten Durchlass in einer von einer Verbindungsstelle
des verzweigten Durchlasses und des Bypassdurchlasses stromaufwärtigen
Position angeordnet sein und die Regelvorrichtung kann so betrieben
werden, dass sie das Abgas des anderen der Abflussdurchlässe
in den Bypassdurchlass einführt, wenn das Magnetventil
geschlossen ist. Auf diese Weise kann einem Rückfließen
des Abgases des relevanten reaktiven Gases, das aus dem Bypassdurchlass
zugeführt wird, in den verzweigten Durchlass vorgebeugt
werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann der verzweigte Durchlass in Form einer zwei Durchlässe einschließenden
Doppelrohrstruktur angeordnet sein und das Abgas des anderen der
Abflussdurchlässe, das aus dem Bypassdurchlass transportiert
wird, kann so angeordnet sein, dass es durch einen der beiden Durchlässe
fließt. In diesem Fall kann einem Rückfließen
des Abgases des relevanten reaktiven Gases vorgebeugt werden und
das oben beschriebene Magnetventil kann unnötig sein.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann der verzweigte Durchlass zum Abführen des Feuchtigkeit enthaltenden
Gases dienen, das durch eine Gas-/Flüssigkeitstrennvorrichtung
verarbeitet wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann der erste Durchlass für den Gasabfluss mit dem ersten
Durchlass für die Gaszufuhr verbunden sein und der verzweigte
Durchlass kann zum Abführen des ersten reaktiven Gases
aus dem System dienen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
kann die Regelvorrichtung eine Öffnung aufweisen, die so
geregelt ist, dass sie das in dem anderen der Abflussdurchlässe
fließende Abgas auf den Bypassdurchlass und den anderen
der Abflussdurchlässe, mit dem der Bypassdurchlass verbunden
ist, verteilt. Selbst wenn das Abgas des relevanten reaktiven Gases
in den Bypassdurchlass eingeführt wird, kann auf diese
Weise einem übermäßigen Ansteigen des Staudrucks
des Abflussdurchlasses für das Abgas und einer Verschlechterung
des Brennstoffverbrauchs des Systems infolge einer Zunahme der Leistungsbelastung
vorgebeugt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Öffnung
der Regelvorrichtung so angeordnet sein, dass sie in Abhängigkeit
von einer Temperatur des verzweigten Durchlasses, mit dem der Bypassdurchlass
verbunden ist, und/oder einer Außenlufttemperatur variiert.
Auf diese Weise können noch Frostschutzmaßnahmen
effizienter ausgeführt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der verzweigte
Durchlass ein erstes Ventil einschließen, der verzweigte
Durchlass kann mit dem anderen der Abflussdurchlässe verbunden sein
und ein weiterer Abflussdurchlass kann zwischen dem ersten Ventil
und dem anderen der Abflussdurchlässe angeordnet sein,
wobei der zusätzliche Abflussdurchlass ein zweites Ventil
einschließen kann. Bei einem solchen Aufbau des Systems
können vorbeugende Maßnahmen gegen ein Gefrieren von
Bestandteilen, wie Rohren und Ventilen, die in dem verzweigten Durchlass
angeordnet sind, realisiert werden, ohne dabei den oben beschriebenen Bypassdurchlass
und die Regelvorrichtung neu in das System einfügen zu
müssen.
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Effekte der Erfindung
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In
einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können bezüglich der
Bestandteile, wie Rohre, die relativ weit von einer Brennstoffzelle
entfernt angeordnet sind und nicht leicht Wärme von der
Brennstoffzelle aufnehmen können, effizient Frostschutzmaßnahmen
ausgeführt werden, so dass das Brennstoffzellensystem selbst
bei niedrigen Temperaturen richtig betrieben werden kann.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das die Funktionen eines gefriersicheren Teils
des Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 ist
ein Diagramm, das einen gefriersicheren Teil des Brennstoffzellensystems
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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4 ist
ein Diagramm, das einen gefriersicheren Teil des Brennstoffzellensystems
gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die beigefügten Figuren sind nachfolgend
bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das dargestellte
System schließt einen Brennstoffzellenkörper 1 ein,
der elektrische Energie erzeugt, die zum Beispiel als Antriebsquelle
für ein Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem schließt
ferner einen Durchlass 2 für das Brenngas zum
Zirkulieren eines Brenngases in dem Brennstoffzellensystem, einen
Durchlass 3 für das gasförmige Oxidationsmittel
zum Zirkulieren eines gasförmigen Oxidationsmittels (Luft)
in dem Brennstoffzellensystem und eine Steuervorrichtung 4 ein.
Es wird angemerkt, dass in dem Beispiel der 1 ein gefriersicherer
Teil 5, der einen ersten verzweigten Durchlass 207 einschließt,
der sich von einem Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 (nachfolgend
auch als „betroffener Bereich 5" bezeichnet) verzweigt,
Frostschutzeffekten unterworfen wird, die in einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wiedergegeben sind. Im Folgenden wird als
veranschaulichendes Beispiel auch ein Brennstoffzellensystem beschrieben,
das Wasserstoffgas als das der Brennstoffzelle zuzuführende
Brenngas verwendet.
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Der
Durchlass 2 für das Brenngas (auch als „Durchlass
für das Wasserstoffgas bezeichnet) schließt einen
Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases zum
Zuführen eines Brenngases von einer Quelle für
Wasserstoffbrennstoff, wie einem Hochdruckwasserstoffbehälter 200,
zu dem Brennstoffzellenkörper 1 und einen Durchlass 203 für
den Abfluss des Brennabgases zum Abführen eines Brennabgases
aus dem Brennstoffzellenkörper 1 ein. Es wird
angemerkt, dass der Durchlass 203 für den Abfluss
des Brennabgases tatsächlich als Durchlass für
eine Zirkulation gestaltet ist, der den Brennstoffzellenkörper 1 über
einen Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 und eine Wasserstoffpumpe 210 mit
dem Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases
verbindet, wie unten beschrieben ist. In der folgenden Beschreibung
kann der Durchlass 203 für den Abfluss des Brennabgases
auch als „Durchlass für eine Zirkulation 203"
bezeichnet werden. Ein erster verzweigter Durchlass 207 und
ein zweiter verzweigter Durchlass 209 sind mit dem Durchlass
für eine Zirkulation 203 verbunden.
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Der
Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases des
Durchlasses 2 für das Brenngas weist ein normal
geschlossenes Magnetventil 230, das zu einem Abflussstutzen
des Hochdruckwasserstoffbehälters 200 hin angeordnet
ist, und ein Steuerventil für die Druckminderung 232 und
ein normal geschlossenes Magnetventil 234 auf, die in dieser
Reihenfolge in einer Richtung zu dem Brennstoffzellenkörper 1 hin
angeordnet sind. Zum anderen weist der Durchlass für eine
Zirkulation 203 ein normal geschlossenes Steuerventil für
die Druckminderung 240, einen Gas-/Flüssigkeitsscheider 220,
eine Wasserstoffpumpe 210 und ein Absperrventil 242 auf,
die in dieser Reihenfolge in einer Richtung, die sich von dem Brennstoffzellenkörper 1 weg
erstreckt, angeordnet sind. Der erste verzweigte Durchlass 207 ist über
das normal geschlossene Magnetventil 244 mit dem Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 verbunden.
Der zweite verzweigte Durchlass 209 ist an einer dazwischen
liegenden Stelle zwischen dem Abflussstutzen der Wasserstoffpumpe 210 und
der Verbindungsstelle A des Durchlasses für eine Zirkulation 203 und dem
Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases mit
dem Durchlass für eine Zirkulation 203 verbunden.
Ein normal geschlossenes Magnetventil (Absaugventil) 246 und
eine Verdünnungsvorrichtung 250 sind in dem zweiten
verzweigten Durchlass 209 angeordnet und das andere Ende
des zweiten verzweigten Durchlasses 209 an dem Anschlussstutzen der
Verdünnungsvorrichtung 250 ist mit einem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verbunden, was später
beschrieben wird. Das andere Ende des ersten verzweigten Durchlasses 207 ist
ebenso mit dem Durchlass 303 für den Abfluss des
Oxidationsmittelabgases verbunden.
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Zum
anderen schließt der Durchlass 3 für das
gasförmige Oxidationsmittel einen Durchlass 301 für
die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels zum Zuführen
eines gasförmigen Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenkörper 1 und
einen Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases zum
Abführen eines Oxidationsmittelabgases aus dem Brennstoffzellenkörper 1 ein.
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In
dem Durchlass 301 für die Zufuhr des gasförmigen
Oxidationsmittels sind ein Kompressor 305 und ein Befeuchter 325 angeordnet.
Der Befeuchter 325 ist in dem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases angeordnet und ein Magnetventil
(Belüftungsventil) 309 ist zwischen dem Befeuchter 325 und
dem Brennstoffzellenkörper 1 angeordnet. Der Durchlass 303 für
den Abfluss des gasförmigen Oxidationsmittels schließt
auch einen verzweigten Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas,
der an der stromabwärtigen Seite des betroffenen Bereichs 5,
der später beschrieben wird, angeordnet ist, ein und dieser
verzweigte Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas
ist mit der Verdünnungsvorrichtung 250 verbunden.
Ein Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 für
das Oxidationsmittelabgas ist weiter stromabwärtig von
dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelgases
angeordnet und dieser Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 ist über
ein Magnetventil 344 mit einem stromabwärtigen
verzweigten Durchlass 307 verbunden. Es wird angemerkt, dass
die Verdünnungsvorrichtung 250 und der verzweigte
Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas und/oder
der Gas-/Flüssigkeitsscheider 320, der stromabwärtige
verzweigte Durchlass 307 und das Magnetventil 344 in
bestimmten Ausführungsformen aus dem Brennstoffzellensystem
weggelassen werden können.
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Die
Steuervorrichtung 4 steuert die Bestandteile, wie Ventile 234, 240, 244, 246, 230, 232, 309, die
Wasserstoffpumpe 210 und den Kompressor 305 als
Reaktion auf die Ergebnisse der Druckmessung 400 und die
Ergebnisse der Temperaturmessung 401, die von den an vorher
festgelegten Positionen der oben beschriebenen Durchlässe
angeordneten Drucksensoren und den Temperatursensoren aufgenommen
wurden. Die Steuervorrichtung 4 steuert auch eine Regelvorrichtung 505 des
betroffenen Bereichs 5, wie unten beschrieben ist. Es wird
angemerkt, dass die Steuerlinien zwischen der Steuervorrichtung 4 und
den Bestandteilen der Einfachheit der Darstellung halber in dieser
Figur weggelassen sind.
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Im
Folgenden ist kurz der normale Fluss des gasförmigen Oxidationsmittels
beschrieben. Bei normalem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird
der Kompressor 305 durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert,
so dass Atmosphärenluft als gasförmiges Oxidationsmittel
aufgenommen wird, durch den Durchlass 301 für
die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels strömt
und über den Befeuchter 325 dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt
wird. Das zugeführte gasförmige Oxidationsmittel
wird durch die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenkörper 1 verbraucht
und dann als Oxidationsmittelabgas aus dem Brennstoffzellenkörper 1 abgeführt.
Das abgeführte Oxidationsmittelabgas durchströmt
den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases
und wird zum Beispiel über den Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 aus
dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
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Als
nächstes wird eine Beschreibung des Flusses des Wasserstoffgases
beschrieben. Bei normalem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird
das Magnetventil 230 durch die Steuervorrichtung 4 geöffnet,
so dass Wasserstoffgas aus dem Hochdruckwasserstoffbehälter 200 eintritt
und den Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases
durchströmt und dann wird der Druck desselben durch das
Steuerventil für die Druckminderung 232 verringert.
Anschließend wird das Wasserstoffgas über das
Magnetventil 234 dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt.
Das zugeführte Wasserstoffgas wird durch die elektrochemische
Reaktion in dem Brennstoffzellenkörper 1 verbraucht
und dann als Wasserstoffabgas aus dem Brennstoffzellenkörper 1 abgeführt.
Nachdem das abgeführte Wasserstoffabgas den Durchlass für
eine Zirkulation 203 durchströmt hat und dessen
Feuchtigkeit durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 entfernt
wurde, wird es über die Wasserstoffpumpe 210 zu
den Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases zurückgeführt,
um erneut dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt
zu werden. Es wird angemerkt, dass das Absperrventil 242 zwischen
der Wasserstoffpumpe 210 und der Verbindungsstelle A des
Durchlasses 201 für die Zufuhr des Brenngases
und des Zirkulationsdurchgangs 203 angeordnet ist und in
einer solchen Anordnung fließt das zirkulierter Wasserstoffabgas
nicht zurück. Normalerweise sind die Magnetventile 244 und 246 in
dem ersten und zweiten verzweigten Durchlass 207 und 209 geschlossen.
Wenn diese Ventile bei Bedarf geöffnet werden, werden das Feuchtigkeit
enthaltende Gas, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 verarbeitet
wird, und das Wasserstoffabgas, das nicht zirkuliert werden muss,
durch die entsprechenden verzweigten Durchlässe abgeführt.
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Diese
Flüssigkeiten und/oder Gase werden durch den Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
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Als
nächstes werden der Aufbau und die Funktionen des betroffenen
Bereichs 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform
beschrieben.
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Der
betroffene Bereich 5 schließt einen Bypassdurchlass 502 ein,
der sich von dem Durchlass 303 für den Abfluss
des Oxidationsmittelabgases und der Regelvorrichtung 505 verzweigt.
Genauer gesagt entspricht der gefriersichere Teil 5 dem
durch eine gestrichelte Linie in der 1 umgebenen
Bereich, der einen Teil des Durchlasses 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und einen Teil des ersten
verzweigten Durchlasses 207 einschließt. Es wird angemerkt,
dass die Regelvorrichtung 505 eine Vorrichtung zum Umschalten
der Richtung des Gasflusses von einer ersten Richtung zu einer zweiten
Richtung und umgekehrt ist.
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Normalerweise
kann die in dem Durchlass bleibende Feuchtigkeit in einem Teil des
Brennstoffzellensystems, der nicht leicht Wärme von der
Brennstoffzelle aufnehmen kann, wie der erste verzweigte Durchlass 207,
gefrieren und so ein Blockieren des Durchlasses verursachen, so
dass kein richtiger Betrieb durchgeführt werden kann. Ein
solches Phänomen tritt insbesondere wahrscheinlich dann
auf, wenn das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen
von zum Beispiel 0°C eingesetzt wird. Insbesondere kann
ein Gefrieren des Durchlasses in dem oben beschriebenen Teil des
Brennstoffzellensystems sogar dann auftreten, wenn das System in Betrieb
ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der betroffene
Bereich 5 so gestaltet, dass das Oxidationsmittelabgas
bei Bedarf durch den Bypassdurchlass 502 zirkuliert, wenn
die an der Verbindungsstelle des Durchlasses 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und des Bypassdurchlasses 502 angeordnete
Regelvorrichtung 505 mit der Steuervorrichtung 4 gesteuert
wird. Durch Zirkulieren des Oxidationsmittelabgases mit hoher Temperatur durch
den Bypassdurchlass 502 zum Vorbeugen eines Gefrierens
des ersten verzweigten Durchlasses kann auf diese Weise ein Wärmeaustausch
veranlasst werden. In einer besonderen Ausführungsform kann
die Regelvorrichtung 505 eine variable Führungsvor richtung
sein, die so gestaltet ist, dass sie die Menge des durch den Bypassdurchlass 502 zirkulierten
Oxidationsmittelabgases regelt. Es wird angemerkt, dass das Oxidationsmittelabgas
nach Zirkulieren durch den Bypassdurchlass 502 den ersten verzweigten
Durchlass 207 durchströmt, um in dem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases mit dem Oxidationsmittelabgas
vereint und aus dem Brennstoffzellensystem abgeführtzu
werden.
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Im
Folgenden werden die oben beschriebenen Funktionen unter Bezugnahme
auf das Flussdiagramm der 2 ausführlicher
beschrieben.
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Zunächst
wird in Schritt S10 die Außenlufttemperatur oder die Temperatur
eines betroffenen Rohres (d. h. die Rohrtemperatur des verzweigten Durchlasses 207 in
dem Beispiel aus 1) gemessen und die Steuervorrichtung 4 vergleicht
die gemessene Temperatur 401 mit einem vorher festgelegten
Schwellenwert, um zu bestimmen, ob Frostschutzmaßnahmen
durchgeführt werden müssen. Wenn die gemessene
Temperatur 401 über dem Schwellenwert liegt, wird
die Regelvorrichtung 505 nicht von der Steuervorrichtung 4 betrieben,
so dass das Oxidationsmittelabgas nicht durch den Bypassdurchlass 502 zirkuliert
wird; das heißt, dass das Oxidationsmittelabgas nur durch
den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases
fließt. Zum anderen bestimmt die Steuervorrichtung 4,
wenn die gemessene Temperatur 401 unter dem Schwellenwert
liegt, dass in dem betroffenen Bereich 5 Frostschutzmaßnahmen
durchgeführt werden müssen und der Prozess fährt
mit Schritt S20 fort.
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In
Schritt S20 wird bestimmt, ob das Magnetventil 244 des
Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 offen oder geschlossen
ist. Wenn das Magnetventil 244 geschlossen ist, fährt
der Prozess mit Schritt S30 fort, wo die Regelvorrichtung 505 so
betrieben wird, dass sie ein Verzweigen des Oxidationsmittelabgases (normalerweise
eines Teils des Oxidationsmittelabgases) zu dem Bypassdurchlass 502 hin
veranlasst. Auf diese Weise kann Gas mit hoher Temperatur durch
den Bypassdurchlass 502 fließen, so dass der erste
verzweigte Durchlass 207 erwärmt und einem Gefrieren
desselben vorgebeugt werden kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
kann die Öff nung der Regelvorrichtung 505 (der
Anteil des Oxidationsmittelabgases, der zu dem Bypassdurchlass 502 hin
geleitet werden soll, unter der Voraussetzung, dass 100% das insgesamt
zu dem Bypassdurchlass 502 hin zu leitende Oxidationsmittelabgas bezeichnet)
so angeordnet sein, dass sie in Abhängigkeit von dem Messwert 401 für
die Außenlufttemperatur oder der Rohrtemperatur variiert.
Wenn die Öffnung der Regelvorrichtung 505 vergrößert
wird, steigt der Staudruck des Durchlasses 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases grundsätzlich an und
die Belastung eines Aggregats (z. B. eines Kompressors 305)
wird erhöht, wodurch eine Verschlechterung des Brennstoffverbrauchs
des Systems verursacht wird. Wenn andererseits die Öffnung
der Regelvorrichtung 505 verkleinert wird, ist eine längere Zeitdauer
erforderlich, um durch den Betrieb der Regelvorrichtung 505 Frostschutzeffekte
zu erhalten. Wenn die Öffnung der Regelvorrichtung 505 konstant angeordnet
ist, kann daher in bestimmten Fällen einer der beiden obigen
Einflüsse hervortreten. Indem es der Steuervorrichtung 4 möglich
ist, die Öffnung der Regelvorrichtung 505 zu regeln,
kann in dieser Hinsicht in geeigneter Weise gleichzeitig einem Gefrieren
des Teils mit niedriger Temperatur und einer Verschlechterung des
Brennstoffverbrauchs des Brennstoffzellensystems vorgebeugt werden.
Es wird angemerkt, dass solche Regelungsfunktionen durch vorheriges
Abspeichern der Beziehung zwischen der Außenlufttemperatur/der
Rohrtemperatur und der Öffnung der Regelvorrichtung 505 in
der Steuervorrichtung 4 ausgeführt werden können.
Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 4 zum Beispiel
die Öffnung der Regelvorrichtung 505 so steuern,
dass sie größer ist, wenn die Temperatur des betroffenen Rohres
relativ niedrig ist, und dann kann die Steuervorrichtung 4,
nachdem die Temperatur des betroffenen Rohres infolge des durch
das umgeleitete Oxidationsmittelabgas veranlassten Wärmeaustauschs
anzusteigen beginnt, die Öffnung der Regelvorrichtung 505 so
schrittweise steuern, dass diese entsprechend der Temperatur verkleinert
wird. Wenn in dem Schritt S20 bestimmt wird, dass das Magnetventil 244 offen
ist, wird die Regelvorrichtung 505 andererseits nicht betrieben.
Eine solche Maßnahme wird in Anbetracht der Tatsache ausgeführt,
dass das in den ersten verzweigten Durchlass 207 eingeführte
Oxidationsmittelabgas durch das Magnetventil 244 strömen
und in den ersten verzeigten Durchlass 207 zurückfließen
kann, wenn das Oxidationsmittelabgas von dem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases durch den Bypassdurchlass 502 fließt,
wenn das Magnetventil 244 offen ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform werden im Grunde die oben
beschriebenen Prozessschritte nach der Aktivierung des Brennstoffzellensystems
und während des Betriebs des Systems wiederholt ausgeführt,
um einem Gefrieren des Teils des Systems mit niedriger Temperatur
kontinuierlich vorzubeugen.
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Im
Folgenden wird der betroffene Bereich 5 des Brennstoffzellensystems
gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
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Wie
in 3 gezeigt, weist ein betroffener Bereich 5 gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen
ersten verzweigten Durchlass 207 auf, der in Form einer
Doppelrohrstruktur angeordnet ist. In der vorliegenden Ausführungsform
ist insbesondere ein Durchlass zum Überführen
eines Teils des Oxidationsmittelabgases von dem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases aus einem Bypassdurchlass 502a und einem äußeren
Durchlass 502b der Doppelrohrstruktur hergestellt. Der
innere Durchlass der Doppelrohrstruktur entspricht einem verzweigten
Durchlass zum Überführen eines Feuchtigkeit enthaltenden
Gases, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 aufgetrennt
wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist das sich
in den Bypassdurchlass 502a von dem Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verzweigende Oxidationsmittelabgas
so angeordnet, dass es durch den äußeren Durchlass
der Doppelrohrstruktur des ersten verzweigten Durchlasses 207 fließt,
so dass infolge des Wärmeaustauschs mit dem Oxidationsmittelabgas
einem Gefrieren des inneren Durchlasses der Doppelrohrstruktur vorgebeugt
werden kann. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform
muss der offene/geschlossene Zustand des an der stromabwärtigen
Seite des Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 angeordneten
Magnetventils 244 nicht berücksichtig werden,
wenn die Steuervorrichtung 4 den Betrieb der Regelvorrichtung 505 steuert.
In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere ein
Rückfließen des Oxidationsmittelabgases zu der
Seite des Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 hin unwahrscheinlich,
selbst wenn das Oxidationsmittelabgas dem Bypassdurchlass 502a zugeführt
wird, wenn das Magnetventil 244 offen ist. Auf diese Weise
können Frostschutzfunktionen effizienter durchgeführt
werden.
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In
einem betroffenen Bereich 5 gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muss ein Bypassdurchlass
(d. h. 502 oder 502a) nicht, wie in der oben beschriebenen
ersten und zweiten Ausführungsform, separat bereitgestellt
werden. Wie in 4 gezeigt, schließt
der betroffene Bereich 5 gemäß dieser
Ausführungsform ein Rohr 207C, das dem ersten
verzweigten Durchlass 207 entspricht, ein Abflussrohr 503,
das sich von dem Rohr 207C verzweigt, das zum Abführen
des Oxidationsmittelabgases dient, und ein Magnetventil 510, das
mit dem Abflussrohr 503 verbunden ist, ein. Normalerweise
sind das Magnetventil 510 und das Magnetventil 244 geschlossen.
Im Fall eines Feuchtigkeit enthaltenden Gases, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 aufgetrennt
wird, wird nur das Magnetventil 244 geöffnet und
das Rohr 207C wird als verzweigter Durchlass 207 zum
Abführen des Feuchtigkeit enthaltenden Gases, das durch
den Gas-/Flüsigkeitsscheider 220 aufgetrennt wird,
verwendet. Es wird angemerkt, dass der in 4 gezeigte
Pfeil P in diesem Fall die Richtung des Fluidflusses angibt. Während
der Frostschutzfunktionen wird das Rohr 207C andererseits
als Bypassdurchlass für den Durchlass 303 für
den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verwendet. Insbesondere
ist das Magnetventil 244 während der Frostschutzfunktionen
geschlossen, während das Magnetventil 510 geöffnet ist
und das von dem Durchlass 303 für den Abfluss des
Oxidationsmittelabgases umzuleitende Oxidationsmittelabgas strömt
in der Richtung des in 4 gezeigten Pfeils Q in dem
Rohr 207C fließt, um mit dem Rohr 207C Wärme
auszutauschen, woraufhin das Oxidationsmittelabgas aus dem Abflussrohr 503 abfließen
gelassen wird. Bei einer solchen Anordnung fließt das Oxidationsmittelabgas
nicht durch das Rohr 503, wenn das Magnetventil 510 geschlossen
ist. Wenn das Magnetventil 510 offen ist, wird andererseits
der Staudruck des Durchlasses des Rohrs 503 niedriger als
derjenige des Durchlasses 303 für den Abfluss
des Oxidationsmittelabgases, wodurch ein Fließen des Oxidationsmittelabgases
in das Rohr 503 verursacht wird. In dieser Ausführungsform
wird die Regelvorrichtung 505 unnötig. Gemäß der
vorliegenden Ausführungsform muss auch kein bestimmter
Bypassdurchlass neu in ein bereits bestehendes Brennstoffzellensystem
eingefügt werden, so dass Platz gespart werden kann.
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Es
wird angemerkt, dass der erste verzweigte Durchlass 207 in
den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung als der Teil des Brennstoffzellensystems beschrieben ist,
der Frostschutzeffekten unterzogen wird (betroffener Bereich 5).
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf den
ersten verzweigten Durchlass 207, wie er oben beschrieben
ist, beschränkt und kann auch auf den zweiten verzweigten
Durchlass 209 und andere verschiedene Teile, an denen wahrscheinlich
ein Gefrieren auftritt, angewendet werden.
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In
den obigen Ausführungen wird das Oxidationsmittelabgas
auch zum Vorbeugen eines Gefrierens des mit dem Durchlass für
das Brennabgas verbundenen verzweigten Durchlasses verwendet. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt
und in einer alternativen Ausführungsform kann das Brennabgas
zum Vorbeugen des Gefrierens eines verzweigten Durchlasses (z. B. eines
stromabwärtigen verzweigten Durchlasses 307),
der mit einem Durchlass zum Zirkulieren des Oxidationsmittelabgases
verbunden ist, verwendet werden. In diesem Fall können
die in den obigen Ausführungen der bevorzugten Ausführungsformen
verwendeten Begriffe „Oxidationsmittelabgas" und „gasförmiges
Oxidationsmittel" gegen die Begriffe „Brennabgas" und „Brenngas"
oder „Wasserstoffabgas" und „Wasserstoffgas" ausgetauscht
werden, wenn es zur Beschreibung einer solchen alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Es
wird auch angemerkt, dass der Aufbau des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems
lediglich ein veranschaulichendes Beispiel ist, das den Umfang der
vorliegenden Erfindung nicht einschränkt. Zum Beispiel
kann ein Brennstoffzellensystem, auf das die vorliegende Erfindung
angewendet wird, weitere Bestandteile, wie Magnetventile und Rohre,
einschließen, die nicht in der 1 gezeigt sind.
Ebenso können einer oder mehrere der in 1 gezeigten
Bestandteile wegelassen werden.
-
Die
vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht den Vorteil der
Priorität der
Japanischen Patentanmeldung
Nr. 2005-349337 , die am 2. Dezember 2005 eingereicht wurde
und auf deren Inhalte hierin vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Zusammenfassung
-
Brennstoffzellensystem
-
Ein
Brennstoffzellensystem schließt einen Brennstoffzellenkörper,
der Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion eines
ersten reaktiven Gases und eines zweiten reaktiven Gases erzeugt, einen
ersten Durchlass für die Gaszufuhr und einen zweiten Durchlass
für die Gaszufuhr, die das erste reaktive Gas und das zweite
reaktive Gas dem Brennstoffzellenkörper zuführen,
einen ersten Durchlass für den Gasabfluss und einen zweiten
Durchlass für den Gasabfluss, die ein Abgas des ersten
reaktiven Gases und ein Abgas des zweiten reaktiven Gases aus dem
Brennstoffzellenkörper abführen, und einen verzweigten
Durchlass, der sich in dem von einem des ersten Durchlasses für
den Gasabfluss oder des zweiten Durchlasses für den Gasabfluss
verzweigt, ein. Das durch den anderen des ersten Durchlasses für
den Gasabfluss oder des zweiten Durchlasses für den Gasabfluss
abgeführte Abgas fließt durch den verzweigten
Durchlass.
-
- 1
- Brennstoffzellenkörper
- 2
- Durchlass
für das Brenngas
- 3
- Durchlass
für das gasförmige Oxidationsmittel
- 4
- Steuervorrichtung
- 5
- betroffener
Bereich
- 200
- Hochdruckwasserstoffbehälter
- 201
- Durchlass
für die Zufuhr des Brenngases
- 203
- Durchlass
für eine Zirkulation
- 207
- erster
verzweigter Durchlass
- 209
- zweiter
verzweigter Durchlass
- 210
- Wasserstoffpumpe
- 220
- Gas-/Flüssigkeitsscheider
für das Brennabgas
- 230
234, 240, 244, 246
- Magnetventile
- 232
- Steuerventil
für die Druckminderung
- 242
- Absperrventil
- 250
- Verdünnungsvorrichtung
- 301
- Durchlass
für die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels
- 303
- Durchlass
für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases
- 305
- Kompressor
- 307
- stromabwärtiger
verzweigter Durchlass
- 309
344
- Magnetventile
- 325
- Befeuchter
- 312
- verzweigter
Durchlass für das Oxidationsmittelabgas
- 320
- Gas-/Flüssigkeitsscheider
für das Oxidationsmittelabgas
- 400
- Ergebnis
der Druckmessung
- 401
- Ergebnis
der Temperaturmessung
- 502
- Bypassdurchlass
- 503
- Abflussrohr
- 505
- Regelvorrichtung
- 510
- Magnetventil
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2002-313395 [0004]
- - JP 2005-349337 [0046]