DE112011102865B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
DE112011102865B4
DE112011102865B4 DE112011102865.2T DE112011102865T DE112011102865B4 DE 112011102865 B4 DE112011102865 B4 DE 112011102865B4 DE 112011102865 T DE112011102865 T DE 112011102865T DE 112011102865 B4 DE112011102865 B4 DE 112011102865B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
air
hydrogen
hydrogen gas
cell stack
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE112011102865.2T
Other languages
English (en)
Other versions
DE112011102865T5 (de
Inventor
Kengo Ikeya
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzuki Motor Corp
Original Assignee
Suzuki Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzuki Motor Corp filed Critical Suzuki Motor Corp
Publication of DE112011102865T5 publication Critical patent/DE112011102865T5/de
Application granted granted Critical
Publication of DE112011102865B4 publication Critical patent/DE112011102865B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/32—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B60L1/003—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to auxiliary motors, e.g. for pumps, compressors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0053—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/71—Arrangement of fuel cells within vehicles specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/33—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/34—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/005—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H01M8/04208—Cartridges, cryogenic media or cryogenic reservoirs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04761—Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K15/00—Arrangement in connection with fuel supply of combustion engines or other fuel consuming energy converters, e.g. fuel cells; Mounting or construction of fuel tanks
    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K15/063—Arrangement of tanks
    • B60K15/067—Mounting of tanks
    • B60K15/07—Mounting of tanks of gas tanks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K15/00—Arrangement in connection with fuel supply of combustion engines or other fuel consuming energy converters, e.g. fuel cells; Mounting or construction of fuel tanks
    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K2015/03309—Tanks specially adapted for particular fuels
    • B60K2015/03315—Tanks specially adapted for particular fuels for hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K15/00—Arrangement in connection with fuel supply of combustion engines or other fuel consuming energy converters, e.g. fuel cells; Mounting or construction of fuel tanks
    • B60K15/03—Fuel tanks
    • B60K15/063—Arrangement of tanks
    • B60K2015/0634—Arrangement of tanks the fuel tank is arranged below the vehicle floor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/10—Vehicle control parameters
    • B60L2240/36—Temperature of vehicle components or parts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Cooling, Air Intake And Gas Exhaust, And Fuel Tank Arrangements In Propulsion Units (AREA)
  • Arrangement Or Mounting Of Propulsion Units For Vehicles (AREA)

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (2); eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) umfassend ein Wasserstofftank (4), ein Druckminderventil (6) und ein Wasserstoffzuführungsrohr (5), wobei die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) dafür eingerichtet ist, Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank (4) eingefüllt ist, dem Brennstoffzellenstapel (2) durch das Druckminderventil (6) zuzuführen; einen Luftzuführungskanal (8), der dafür eingerichtet ist, in den Brennstoffzellenstapel (2) Luft zuzuführen; und einen Luftabgasungskanal (9), der dafür eingerichtet ist, überschüssige Luft von dem Brennstoffzellenstapel (2) abzuführen, wobei in dem Brennstoffzellensystem (1) die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) innerhalb einer Wärmeaustauschkammer (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschkammer (17) umfasst: ein erstes Schaltventil (26) zum Öffnen und Schließen eines ersten Verbindungsteils (23), das mit dem Luftzuführungskanal (8) verbindet; ein zweites Schaltventil (27) zum Öffnen und Schließen eines zweiten Verbindungsteils (24), das mit dem Luftabgasungskanal (9) verbindet; und ein drittes Verbindungsteil (25), das mit einer Außenseite an einem stromaufwärtigen Abschnitt der Wärmeaustauschkammer (17) in Richtung eines Stroms des Wasserstoffgases verbindet, wobei ein Luftgebläselüfter (28), der in der Lage ist, seine Luftblasrichtung umzuschalten, in dem dritten Verbindungsteil (25) angeordnet ist, und ein Temperatursensor (31), der dafür eingerichtet ist, eine Temperatur (T3) des Wasserstofftanks (4) festzustellen, in der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) angeordnet ist, wobei ein Steuerungsmittel (33) derart ausgestaltet ist, dass das erste Schaltventil (26) schließt und gleichzeitig das zweite Schaltventil (27) öffnet, wenn die ...

Description

  • [Technisches Feld]
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und im Speziellen auf ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, einen Wärmeaustausch zwischen einer Wasserstoffgaszuführungseinrichtung und einem Brennstoffzellenstapel effektiv durchzuführen, um die Atmosphären in der Einrichtung und dem Stapel innerhalb geeigneter Temperaturbereiche aufrecht zu erhalten und dadurch exzessives Erwärmen und exzessives Kühlen der beiden zu vermeiden.
  • [Stand der Technik]
  • Brennstoffzellensysteme, die auf Brennstoffzellenfahrzeugen angeordnet sind, erzeugen Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion, die mit der Produktion von Wasser einhergeht. Im Allgemeinen sind die Brennstoffzellen eines solchen Brennstoffzellensystems als ein Brennstoffzellenstapel eingerichtet, der durch das Stapeln einer Anzahl von kleinsten Bestandteilen erhalten wird, die Zellen genannt werden. In einem Fall einer gewöhnlichen Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wie sie in 6 gezeigt ist, umfasst eine Zelle 101 eine Anode 102 und eine Kathode 103, die dafür eingerichtet sind, Wasserstoff beziehungsweise Luft (Sauerstoff) bereitzustellen, und zwischen diesen sind Diffusionsschichten 104 und 105, Katalysatorschichten 106 und 107 zum Aktivieren der Reaktion, und, in der Mitte, eine Elektrolytmembran 108, die dafür eingerichtet ist, selektiv Wasserstoffionen zu übermitteln, angeordnet.
  • Wasserstoffmoleküle, die der Anode 102 zugeführt werden, wandeln sich in aktive Wasserstoffatome in der Katalysatorschicht 106 um, die auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 108 auf der Anoden-102-Seite angeordnet ist, und wandeln sich weiterhin in Wasserstoffionen um, die Elektronen freisetzen. Diese Reaktion, die als (1) in 6 illustriert ist, wird durch die unten stehende Formel 1 beschrieben. H2 → 2H+ + 2e– (Formel 1)
  • Die Wasserstoffionen, die durch die Formel 1 erzeugt werden, treten durch die Elektrolytmembran 108 von der Seite der Anode 102 zur Seite der Kathode 103 zusammen mit der Feuchtigkeit hindurch, die in der Elektrolytmembran 108 enthalten ist, während die Elektronen zur Kathode 103 durch einen externen Stromkreis 109 fließen. Durch diesen Elektronentransfer fließt Strom in eine Last (beispielsweise einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs) 110, die in dem externen Stromkreis 109 angeordnet ist.
  • Auf der anderen Seite wandeln sich die Sauerstoffmoleküle in der Luft, die an der Kathode 103 bereitgestellt werden, in der Katalysatorschicht 107 in Sauerstoffionen um, indem sie die Elektronen, die von dem externen Stromkreis 109 bereitgestellt werden, empfangen, und wandeln sich dann in Wasser um, indem sie sich mit den Wasserstoffionen, die durch die Elektrolytmembran 108 treten, verbinden. Diese Reaktion, die durch (2) in 6 illustriert ist, wird durch die Formel 2, die unten angegeben ist, ausgedrückt. ½O2 + 2H+ + 2e– → H2O (Formel 2)
  • Ein Teil des derart produzierten Wassers wandert von der Kathode 103 aufgrund von Konzentrationsdiffusion zur Anode 102. In den chemischen Reaktionen, die oben beschrieben sind, treten eine Vielzahl von Verlusten innerhalb der Zelle 101 auf, wie beispielsweise Widerstandsüberspannungen, die auf die elektrischen Widerstände der Elektrolytmembran 108 und die Elektroden zurückzuführen sind, eine Aktivierungsüberspannung aufgrund der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, und Diffusionsüberspannungen aufgrund des Transfers von Wasserstoff und Sauerstoff durch die Diffusionsschichten 104 und 105 hindurch. Die Abwärme, die dadurch entsprechend erzeugt wird, muss abgeleitet werden.
  • Es gibt eine wassergekühlte Art und eine luftgekühlte Art von Brennstoffzellensystemen, die die oben genannte Zelle 101 umfassen.
  • Als erstes zeigt 7 die Ausgestaltung eines herkömmlichen wassergekühlten Brennstoffzellensystems eines herkömmlichen Brennstoffzellenfahrzeugs. Ein Brennstoffzellensystem 201, wie es in 7 gezeigt ist, umfasst einen Brennstoffzellenstapel 202 der durch Stapeln einer Anzahl von Zellen oder der kleinsten Bestandteile wie oben beschrieben, erhalten wird und umfasst ebenfalls eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 203, die dafür eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel 202 Wasserstoffgas zuzuführen.
  • Die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 203 führt komprimiertes Wasserstoffgas, das in einem Hochdruckwasserstofftank 204 gespeichert ist, in einen Anodeneinnahmeabschnitt 202 des Brennstoffzellenstapels 202 mittels eines Wasserstoffzuführungsrohres 205 über ein Druckminderventil 206 ein. Bei diesem Verfahren fällt die Temperatur des Wasserstoffgases aufgrund adiabatischer Expansion des Gases, welches im gleichen Zug die mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten einschließlich des Wasserstofftanks 204 und jene zwischen dem Wasserstofftank 204 und dem Brennstoffzellenstapel 202, wie beispielsweise das Wasserstoffzuführungsrohr 205 oder ebenso ein Abschaltventil und das Druckminderventil 206, das in einem Zwischenabschnitt davon angeordnet ist, abkühlt.
  • Andererseits umfasst das Brennstoffzellensystem 201 einen Luftzuführungskanal 208, um dem Brennstoffzellenstapel 202 Luft zuzuführen, und einen Luftabführungskanal 209, um überschüssige Luft vom Brennstoffzellenstapel 202 abzugasen. In dem Luftzuführungskanal 208 wird Umgebungsluft, die durch einen Filter 210 eingezogen wird, durch einen Hochdruckkompressor 211 komprimiert und dann in einen Kathodeneinnahmeteil 212 des Brennstoffzellenstapels 202 eingeführt. Als ein Ergebnis davon wird Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 202 durchgeführt.
  • Die überschüssige Luft, die ungenutzt durch die Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 202 verbleibt, wird durch einen Kathodenabgasungsteil 213 des Brennstoffzellenstapels 202 zu dem Luftabführungskanal 209 als Kathodenabgasung abgegast. Die Kathodenabgasung, die zu dem Luftabgasungskanal 209 abgegast wird, wird von einem Teil des Wassers in dem Abgas mittels eines Dampftrenners 214 getrennt, und dann über ein Gegendruckventil 215 in die Atmosphäre freigesetzt, um den Druck des Kathodensystem zu steuern.
  • Darüber hinaus wird überschüssiges Wasserstoffgas, das während der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 202 nicht verwendet worden ist, durch einen Anodenabgasungsteil 216 zu einem Wasserstoffentlüftungsrohr 217 als Anodenabgasung abgegast. Das Wasserstoffentlüftungsrohr 217 ist mit einem Zwischenabschnitt des Luftabgasungskanals 209 verbunden. Ähnlich wie die Kathodenabgasung fließt die Anodenabgasung, die zu dem Wasserstoffentlüftungsrohr 217 abgegast wird, durch einen Dampftrenner 218 vergleichbar mit dem Fall bezüglich der Kathodenabgasung, und wird dann der Kathodenabgasung in dem Luftabgasungskanal 209 über ein Entlüftungsventil 219 beigemischt.
  • Die Flussmenge der entlüfteten Wasserstoffabgasung, anders ausgedrückt, der Anodenabgasung von dem Anodenabgasungsteil 216, ist in großem Maße kleiner als die der Kathodenabgasung. Somit kann der entlüftete Wasserstoff von dem Anodenabgasungsteil 216 unter Zuhilfenahme der Kathodenabgasung mit einer Konzentration von 4% in die Atmosphäre freigesetzt werden, was dem unteren Explosionsgrenzwert oder weniger entspricht. Es ist zu berücksichtigen, dass in manchen Brennstoffzellensystemen das Wasserstoffentlüftungsrohr 217 über ein Wasserstoffrückführungsrohr 220 mit dem Anodeneinnahmeteil 207 verbunden ist, und eine Wasserstoffpumpe 221, die im Wasserstoffrückführungsrohr 220 bereitgestellt ist, verwendet wird, um die Anodenabgasung dem Anodeneinnahmeteil 207 wieder zuzuführen, um die Effizienz der Nutzung des Wasserstoffs zu verbessern.
  • Im Folgenden wird ein Kühlsystem 222 des wassergekühlten Brennstoffzellensystems 201 beschrieben. Das Kühlsystem 222 umfasst einen Kühlkörper 223, der dafür eingerichtet ist, Kühlwasser des Brennstoffzellenstapels 202 zu kühlen. In dem Kühlsystem 222 wird eine Kühlschleife durch Verbinden des Brennstoffzellenstapels 202 mit dem Kühlkörper 223 mittels eines Kühlwassereinlasskanals 224 und durch Verbinden des Kühlkörpers 223 mit dem Brennstoffzellenstapel 202 mittels eines Kühlwasserauslasskanals 225 gebildet.
  • Das Kühlsystem 222 umfasst eine Wasserpumpe 226 in dem Kühlwassereinlasskanal 224, der entweder an einer stromaufwärtigen oder stromabwärtigen Seite (stromabwärtige Seite in 7) des Brennstoffzellenstapels 202 verbunden ist, um dadurch das Kühlwasser zum Kühlkörper 223 zu pumpen. Das Kühlwasser, das den Brennstoffzellenstapel 202 abgekühlt hat, tauscht seine Wärme mit der Atmosphäre in dem Kühlkörper 223 aus und wird dann erneut dem Brennstoffzellenstapel 202 durch den Kühlwasserauslasskanal 225 zugeführt.
  • Dieses Kühlsystem 222 ist mit einer Heizeinrichtung 227 ausgestattet. Die Heizeinrichtung 227 umfasst einen Heizkanal 228, der den Kühlwassereinlasskanal 224 und den Kühlwasserauslasskanal 225 verbindet, und umfasst weiterhin einen Heizkern 230 zum Aufwärmen des Fahrgastraums in dem Heizkanal 228 mit einem zwischengeschalteten Regelventil 229, das zum Kühlkörper 223 parallelgeschaltet ist. Wenn Heizen benötigt wird, stellt die Heizeinrichtung 227 Kühlwasser, das heiß ist, dem Heizkern 228 zur Verfügung, indem es das Regelventil 229 öffnet und einen Lüfter 231 zum Blasen von Luft antreibt, um dadurch den Fahrgastraum zu erwärmen.
  • Wie oben beschrieben, umfasst das wassergekühlte Brennstoffzellensystem 201 viele Zubehörteile, wie den Kompressor 211 zum Komprimieren der Luft, die durch den Luftzuführungskanal 208 eingeführt wird, um die Ausgabedichte des Brennstoffzellenstapels 202 zu verbessern. Solch ein wassergekühltes Brennstoffzellensystem 201 führt dann zu einem komplizierteren, größeren, schwereren und teureren System. Im Gegensatz dazu gibt es ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem, das eine Vereinfachung des Systems erreicht, indem Zubehörteile, wie beispielsweise der Kompressor, entfernt werden und Luftkühlung zum Kühlen der Brennstoffzellen verwendet wird.
  • Die 8 und 9 zeigen ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem 301. Wie in 8 gezeigt ist, umfasst das luftgekühlte Brennstoffzellensystem 301, wie das oben beschriebene wassergekühlte Brennstoffzellensystem 201, einen Brennstoffzellenstapel 302, der durch Stapeln einer Anzahl von Zellen, oder der kleinsten Bestandteile, erhalten wird, und umfasst ebenfalls eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 303, die dafür eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel 302 Wasserstoffgas zuzuführen. Die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 303 führt komprimiertes Wasserstoffgas, das in einem Hochdruckwasserstofftank 304 gespeichert ist, in einen Anodeneinnahmeteil 307 des Brennstoffzellenstapels 302 mittels eines Wasserstoffzuführungsrohres 305 über ein Druckminderventil 306 ein. Bei diesem Verfahren kühlt der Temperaturabfall des Wasserstoffgases aufgrund seiner adiabatischen Expansion mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponenten, einschließlich des Wasserstofftanks 304, des Wasserstoffzuführungsrohres 305 und des Druckminderventils 306 und ähnlichem, ab.
  • Hier umfasst das luftgekühlte Brennstoffzellensystem 301 im Allgemeinen keinen Hochdruckkompressor auf der Kathodeneinnahmeseite, im Gegensatz zum wassergekühlten Brennstoffzellensystem. Wie in 9 gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 301 einen Luftzuführungskanal 308 zum Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel 302 und einen Luftabgasungskanal 309 zum Abgasen überschüssiger Luft von dem Brennstoffzellenstapel 302. Der Luftzuführungskanal 308 führt Umgebungsluft, die durch einen Filter 310 eingezogen worden ist, in einen Kathodeneinnahmeteil 312 des Brennstoffzellenstapels 302 mittels eines Niedrigdrucklüftergebläses 311 ein.
  • Darüber hinaus wird die Luft, die dem Kathodeneinführungsteil 312 zugeführt wird, nicht nur als Reaktionsgas mit dem Wasserstoff zur Leistungserzeugungsreaktion in den vielen gestapelten Zellen in dem Brennstoffzellenstapel 302 verwendet, sondern wirkt auch als Kühlmedium zum Entfernen der Abwärme in dem Brennstoffzellenstapel 302 zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 302.
  • Wie in 9 gezeigt wird, wird die überschüssige Luft nach der Reaktion mit dem Wasserstoff und nachdem die Luft den Brennstoffzellenstapel 302 abgekühlt hat, durch einen Kathodenabgasungsteil 313 des Brennstoffzellenstapels 302 zu dem Luftabgasungskanal 309 als Kathodenabgas abgegast, und dann in die Atmosphäre freigesetzt. Das überschüssige Wasserstoffgas, das in dem Brennstoffzellenstapel 302 durch die Leistungserzeugung ungenutzt verbleibt wird durch einen Anodenabgasungsteil 314 zu einem Wasserstoffentlüftungsrohr 315 als Anodenabgasung abgegast. Das Wasserstoffentlüftungsrohr 315 ist mit einem Zwischenabschnitt des Luftabgasungskanals 309 verbunden. Die Anodenabgasung, die zu dem Wasserstoffentlüftungsrohr 315 abgegast wird, wird der Kathodenabgasung über das Entlüftungsventil 316 in dem Luftabgasungskanal 309 beigemischt. Wenn die Wasserstoffgasentlüftung auf der Anodenseite durchgeführt wird, wird das abgegaste Wasserstoffgas zu seinem unteren explosiven Grenzwert oder darunter mithilfe der Kathodenabgasung verdünnt und dann an die Atmosphäre freigesetzt.
  • Das luftgekühlte Brennstoffzellensystem 301, das das Niedrigdrucklüftergebläse 311 nutzt, um Luft wie oben beschrieben sowohl als Reaktionsgas als auch als Kühlmedium zuzuführen, kann einen verringerten Energieverbrauch und ebenso ein kleineres, leichteres und einfacheres System erreichen. Allerdings ist aufgrund der begrenzten Menge des Luftflusses die Kühlleistung niedriger als die des wassergekühlten Brennstoffzellensystems, das weiter oben beschrieben worden ist. Aus diesem Grund ist der Betriebstemperaturbereich des Brennstoffzellenstapels 302 in einigen Fällen schmal, was möglicherweise zum Überhitzen des Brennstoffzellenstapels 302 während einer Hochtemperaturperiode, wie beispielsweise im Sommer, führen kann.
  • Wie oben beschrieben wird sowohl in dem wassergekühlten Brennstoffzellensystem als auch dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem das Wasserstoffgas, das der Treibstoff ist, durch seine adiabatische Expansion abgekühlt, wenn Wasserstoff, das der Treibstoff ist, von dem Wasserstofftank, der den Wasserstoff in Form eines Hochdruckgases speichert, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Das Wasserstoffgas, das auf diese Weise zu einer niedrigen Temperatur gebracht worden ist, kühlt im Gegenzug sehr stark die verschiedenen mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten, einschließlich des Wasserstofftanks selbst und auch jene, die zwischen dem Wasserstofftank und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, wie beispielsweise das Druckminderventil und den Regler zum Druckregulieren, ab. Es wurde erkannt, dass die besonders starke Abkühlung sich möglicherweise auf die Haltbarkeit und die Verlässlichkeit dieser mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten auswirkt.
  • Um eine solche Unannehmlichkeit zu vermeiden, offenbaren beispielsweise die JP H01-77267 U und die JP 2007-161024 A eine Technik, in der ein Wasserstoffgasrohr und ein Kühlwasserrohr zum Kühlen der Brennstoffzellen nebeneinander angeordnet sind, oder ein Wasserstoffgasrohr und ein Rohr für Abgasungsgas eines Brennstoffzellensystems nebeneinander angeordnet sind. Darüber hinaus offenbart beispielsweise die JP 2005-44520 A eine Technik, bei der eine mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponente an solch einer Stelle angeordnet ist, dass sie in der Lage ist, die Wärme, die von einem Kühlkörper in einem Kühlsystem eines Brennstoffzellenstapels freigesetzt wird, aufzunehmen.
  • DE 20 2009 011 748 U1 beschreibt eine Brennstoffzellenantriebsvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und mit einer Strömungsleiteinheit, die einen Strömungsleitkanal zur Führung einer von der Brennstoffzelle erzeugten Abwärme ausbildet.
  • EP 1 818 204 B1 beschreibt ein Brennstoffzellenkraftfahrzeug und eine Abgaberohrinstallationsstruktur für ein Gasbrennstoff-Kraftfahrzeug.
  • [Zitationsliste]
  • [Patentschriften]
    • [PTL1] JP H01-77267 U
    • [PTL2] JP 2007-161024 A
    • [PTL3] JP 2005-44520 A
  • [Zusammenfassung der Erfindung]
  • [Technische Probleme]
  • Allerdings sind in den Techniken, die durch die Patentliteratur 1 und die Patentliteratur 2, die oben erwähnt sind, das Wasserstoffgasrohr, das eine niedrige Temperatur hat, und das Kühlwasser- oder Abgasungsgasrohr, die eine hohe Temperatur aufweisen, nur benachbart zueinander angeordnet. Daher kann der Wärmeaustausch zwischen diesen nicht als gut bezeichnet werden.
  • Darüber hinaus ist in der Technik, die in der Patentliteratur 3, die oben genannt ist, beschrieben ist, der Kühlkörper generell in einem Frontabschnitt des Fahrzeugs angeordnet, wobei die Wasserstofftanks häufig unter dem Boden des Fahrzeugs zwischen einem Mittelabschnitt und einem Heckabschnitt dessen angeordnet sind. Entsprechend hat die Anwendung dieser Technik das Problem, dass eine große Einschränkung hinsichtlich der Anordnung bewirkt wird.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung ist, ein Abkühlen von mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten aufgrund der adiabatischen Expansion des Wasserstoffgases zu verhindern, und außerdem die Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels zu verbessern.
  • [Lösung der Probleme]
  • Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
  • [Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise: Einen Brennstoffzellenstapel; eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung, die dafür eingerichtet ist, Wasserstoffgas, das in einen Wasserstofftank eingefüllt ist, dem Brennstoffzellenstapel unter Druckverminderung des Wasserstoffgases zuzuführen; einen Luftzuführungskanal, der dafür eingerichtet ist, in den Brennstoffzellenstapel Luft zuzuführen; und einen Luftabgasungskanal, der dafür eingerichtet ist, überschüssige Luft von dem Brennstoffzellenstapel abzuführen, wobei in dem Brennstoffzellensystem, die Wasserstoffzuführungseinrichtung innerhalb einer Wärmeaustauschkammer angeordnet ist, die mit dem Luftzuführungskanal und dem Luftabgasungskanal verbindbar ist, die Luft, die vom Brennstoffzellenstapel abgegast wird, in die Wärmeaustauschkammer eingeführt wird, wenn eine Temperatur der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder unterschreitet und Luft, die in die Wärmeaustauschkammer eingeführt und durch die Wasserstoffzuführungseinrichtung abgekühlt wird, in den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wenn eine Temperatur der Luft, die vom Brennstoffzellenstapel abgegast wird, eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder überschreitet.
  • Durch die Struktur, in der die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung in der Wärmeaustauschkammer, die mit dem Luftzuführungskanal und dem Luftabgasungskanal in Verbindung steht, angeordnet ist, erwärmt das Brennstoffzellensystem vorzugsweise die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung mit der heißen Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel abgegast wird, wenn die Temperatur der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder unterschreitet (untere Grenzwerttemperatur). Entsprechend ist es möglich, zu verhindern, dass die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung kalt wird.
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem vorzugsweise den Brennstoffzellenstapel mit der Luft versorgen, die in die Wärmeaustauschkammer eingeführt wird und durch die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung abgekühlt wird, wenn die Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel abgegast wird, eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder überschreitet (obere Grenzwerttemperatur). Entsprechend ist es möglich, die Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels zu verbessern.
  • [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Wärmeaustauschkammer entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das den Betrieb des Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer Tieftemperaturperiode zeigt.
  • 4 ist ein Blockdiagramm, das den Betrieb des Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer Hochtemperaturperiode zeigt.
  • 5 ist ein Zustandsübergangdiagramm des Brennstoffzellensystems entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen Brennstoffzelle.
  • 7 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen wassergekühlten Brennstoffzellensystems.
  • 8 ist ein Blockdiagramm eines herkömmlichen luftgekühlten Brennstoffzellensystems.
  • 9 ist ein Blockdiagramm, das den Fluss von Wasserstoff und Sauerstoff in den herkömmlichen luftgekühlten Brennstoffzellensystemen zeigt.
  • [Beschreibung von Ausführungsformen]
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben.
  • Die 1 bis 5 zeigen ein Brennstoffzellensystem 1 entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 1 ist das Brennstoffzellensystem 1 ein Brennstoffzellensystem, das auf einem Brennstoffzellenfahrzeug befestigt ist. Wie bereits beschrieben (6 bis 9) umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 2, der durch Stapeln einer Anzahl von kleinsten Bestandteilen, die Zellen genannt werden, erhalten wird, und es erzeugt Leistung mittels einer elektrochemischen Reaktion, die mit der Produktion von Wasser einhergeht. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3, die dafür eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel 2 Wasserstoffgas zuzuführen. Die Wasserstoffzuführungseinrichtung 3 führt ein komprimiertes Wasserstoffgas, das in einem Hochdruckwasserstofftank 4 gelagert ist, in einen Anodeneinnahmeteil 7 des Brennstoffzellenstapels 2 mittels eines Wasserstoffzuführungsrohres 5 über ein Druckminderventil 6 ein.
  • Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 1 anders als das wassergekühlte Brennstoffzellensystem im Allgemeinen keinen Hochdruckkompressor auf der Kathodeneinnahmeseite. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Luftzuführungskanal 8 zum Zuführen von Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 und einen Luftabgasungskanal 9 zum Abgasen überschüssiger Luft von dem Brennstoffzellenstapel 2. Der Luftzuführungskanal 8 führt Umgebungsluft, die durch einen Filter 10 eingesogen worden ist, in einen Kathodeneinnahmeteil 12 des Brennstoffzellenstapels 2 mittels eines Niedrigdrucklüftergebläses 11 zu. Die Luft, die dem Kathodeneinnahmeteil 12 zugeführt wird, wird nicht nur als das Reaktionsgas mit dem Wasserstoff für die Leistungserzeugungsreaktion in den vielen Zellen, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 gestapelt sind, verwendet, sondern dient auch als ein Kühlmedium zum Entfernen der Abwärme in dem Brennstoffzellenstapel 2 zum Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 2.
  • Daher ist der Brennstoffzellenstapel 2 ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel, der Luft sowohl als Reaktionsgas als auch als Kühlmedium verwendet. Entsprechend ist das Brennstoffzellensystem 1 ein luftgekühltes Brennstoffzellensystem.
  • Die überschüssige Luft nach der Reaktion mit dem Wasserstoff und die Luft, die den Brennstoffzellenstapel 2 abgekühlt hat, werden zu dem Luftabgasungskanal 9 durch einen Kathodenabgasungsteil 13 des Brennstoffzellenstapels 2 als Kathodenabgas abgegast und dann an die Atmosphäre freigesetzt. Das überschüssige Wasserstoffgas, das während der Leistungserzeugung in dem Brennstoffzellenstapel 2 ungenutzt geblieben ist, wird zu einem Wasserstoffentlüftungsrohr 15 durch einen Anodenabgasungsteil 14 als Anodenabgasung abgegast. Das Wasserstoffentlüftungsrohr 15 ist mit einem Zwischenabschnitt des Luftabgasungskanals 9 verbunden. Das Anodenabgas, das zum Wasserstoffentlüftungsrohr 15 abgegast wird, wird dem Kathodenabgas in dem Luftabgasungskanal 9 über ein Entlüftungsventil 16 beigemischt. Wenn anodenseitig Wasserstoffgas entlüftet wird, wird das abgegaste Wasserstoffgas mithilfe des Kathodenabgases zu seinem unteren Explosionsgrenzwert oder darunter verdünnt und daraufhin an die Atmosphäre freigesetzt.
  • Bei diesem Brennstoffzellensystem 1 ist die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 innerhalb einer Wärmeaustauschkammer 17 angeordnet, die mit dem Luftzuführungskanal 8 und dem Luftabgasungskanal 9 in Verbindung steht. Die Wärmeaustauschkammer 17 hat keine dicht versiegelte Kammerstruktur. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Wärmeaustauschkammer 17 dieser Ausführungsform einen unteren Kammerteil 18 mit einer Querschnittsform dergestalt, dass er an der oberen Seite geöffnet ist, und einen oberen Kammerteil 20, der diese Öffnung 19 des unteren Kammerteils 18 bedeckt. Der obere Kammerteil 20 ist in einer aufwärts hervorstehenden Form in einem Boden 21 des Brennstoffzellenfahrzeugs gebildet. Dadurch, dass das untere Kammerteil 18 über Befestigungsmittel 22 an dem oberen Kammerteil 20 befestigt ist, kann die Wärmeaustauschkammer 17 die Öffnung 19 auf der oberen Seite des unteren Kammerteils 18 mit der oberen Kammer 20 schließen.
  • Die Wärmeaustauschkammer 17 umfasst: Einen ersten Verbindungsteil 23, der mit dem Luftzuführungskanal 8 verbunden ist; einen zweiten Verbindungsteil 24, der mit dem Luftabgasungskanal 9 verbunden ist; und einen dritten Verbindungsteil 25, der mit der Innenseite und der Außenseite der Wärmeaustauschkammer 17 an einem stromaufwärtigen Abschnitt (auf Seiten des Wasserstofftanks 4) derer in Richtung des Flusses des Wasserstoffgases innerhalb des Wasserstoffzuführungsrohres 5 in Verbindung steht. In dem ersten Verbindungsteil 23 und dem zweiten Verbindungsteil 24 sind ein erstes Schaltventil 26 und ein zweites Schaltventil 27 angeordnet, die dafür eingerichtet sind, diese Kommunikationsteile 23 und 24 jeweils zu Öffnen und zu Schließen. In dem dritten Verbindungsteil 25 ist ein Luftgebläselüfter 28 angeordnet, der in der Lage ist, seine Blasrichtung zwischen einer Richtung zur Innenseite der Wärmeaustauschkammer 17 und einer zur Außenseite dieser umzuschalten.
  • Der erste Verbindungsteil 23 steht mit dem Luftzuführungskanal 8 an einem Abschnitt in Verbindung, der sich stromabwärts des Lüftergebläses 11, jedoch unmittelbar stromaufwärts des Kathodeneinnahmeteils 12 des Brennstoffzellenstapels 2 in Richtung des Flusses der Luft in dem Luftzuführungskanal 8 befindet. Der zweite Verbindungsteil 24 steht mit dem Luftabgasungskanal 9 an einem Abschnitt unmittelbar stromabwärts des Kathodenabgasungsteils 13 des Brennstoffzellenstapels 2 in der Richtung des Flusses der Luft in dem Luftabgasungskanal 9 in Verbindung. Das Wasserstoffentlüftungsventil 15 zum Entlüften des überschüssigen Wasserstoffgases, das mit dem Anodenabgasungsteil 14 des Brennstoffzellenstapels 2 in Verbindung steht, ist über seinen stromabwärtigen Endabschnitt mit dem Luftabgasungskanal 9 an einem Abschnitt stromabwärts des zweiten Verbindungsteils 24 in der Richtung des Flusses der Luft in dem Luftabgasungskanal 9 verbunden. Der Luftgebläselüfter 28, der in dem dritten Verbindungsteil 25 angeordnet ist, hat eine explosionsfeste Struktur und ist in der Lage, Luft in die und aus der Luftaustauschkammer 17 zu blasen, indem sein Motor jeweils in seine Vorwärts- und Rückwärtsrichtung rotiert.
  • Wie oben beschrieben ist, ist in dem Brennstoffzellensystem 1 die Wärmeaustauschkammer derart geformt, dass sie mit dem Luftzuführungskanal 8 verbunden werden kann, um Luft in den Brennstoffzellenstapel zuzuführen, und mit dem Luftabgasungskanal 9, um Luft von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgasen zu können. Darüber sind hinaus sind mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponenten einschließlich des Wasserstofftanks 4 des Wasserstoffzuführungsrohres 5 und des Druckminderventils 6 der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 angeordnet. Auf diese Weise ist das Brennstoffzellensystem 1 dafür eingerichtet, einen Wärmeaustausch zwischen dem Luftzuführungskanal 8, dem Luftabgasungskanal 9 und jeder der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten zwischen dem Wasserstofftank 4 und dem Brennstoffzellenstapel 2, wie beispielsweise dem Wasserstoffzuführungsrohr 5 und dem Druckminderventil 6, zu ermöglichen.
  • Dieses Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Zufuhrlufttemperatursensor 29, der dafür eingerichtet ist, die Temperatur der Luft, die zugeführt wird, zwischen dem Filter 10 und dem Lüftergebläse 11 in dem Luftzuführungskanal 8 festzustellen, und umfasst außerdem einen Abgaslufttemperatursensor 30, der dafür eingerichtet ist, die Temperatur der Luft, die zu dem Luftabgasungskanal 9 abgegast worden ist, an einem Abschnitt, der stromaufwärts des Punktes liegt, an dem das Wasserstoffentlüftungsrohr 15 angeschlossen ist, festzustellen. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst außerdem innerhalb des Wasserstofftanks 4 der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 einen Wasserstofftanktemperatursensor 31, der dafür eingerichtet ist, die Tanktemperatur festzustellen, und umfasst weiterhin innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 einen Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32, der dafür eingerichtet ist, die Wasserstoffgaskonzentration darin festzustellen. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ein Steuerungsmittel 33 zum Steuern des ersten Schaltventils 26, des zweiten Schaltventils 27 und des Luftgebläselüfters 28 auf Grundlage der Feststellungsignale des Zufuhrlufttemperatursensors 29, des Abgaslufttemperatursensors 30, des Wasserstofftanktemperatursensors 31 und des Wasserstoffgaskonzentrationssensors 32.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 betreibt das erste Schaltventil 26, das zweite Schaltventil 27 und den Luftgebläselüfter 28 mittels des Steuerungsmittels 33 auf Grundlage der Temperaturen, die von dem Zufuhrlufttemperatursensor 29, dem Abgaslufttemperatursensor 30 und dem Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt werden.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 steuert das erste Schaltventil 26, das zweite Schaltventil 27 und den Luftgebläselüfter 28 mittels des Steuerungsmittels 33, sodass die von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgegaste Luft in die Wärmeaustauschkammer 17 eingeführt wird, um die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 zu erwärmen, wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 4 der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3, die mittels des Wasserstofftanktemperatursensors 31 festgestellt wird, eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder unterschreitet, wohingegen die Luft, die in die Wärmeaustauschkammer 17 eingeführt und durch die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 abgekühlt wird, dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird, wenn die Temperatur der Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgegast wird, eine vorbestimmte Temperatur erreicht oder überschreitet.
  • Darüber hinaus betreibt das Brennstoffzellensystem 1 das erste Schaltventil 26, das zweite Schaltventil 27 und den Luftgebläselüfter 28 mittels des Steuerungsmittels 33, sodass die Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer 17 eingeführt und in den Luftabgasungskanal 9 eingeströmt wird, wenn die Wasserstoffgaskonzentration, die durch den Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32 festgestellt wird, eine vorbestimmte Konzentration erreicht oder überschreitet.
  • Des Weiteren öffnet, in einem Fall, wenn Wasserstoffgas in den Wasserstofftank 4 eingefüllt wird, das Brennstoffzellensystem 1 mindestens eines des ersten Schaltventils 26 und des zweiten Schaltventils 27 und führt die Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer 17 durch den Luftgebläselüfter 28 mittels des Steuerungsmittels 33 ein, wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 4 einen vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Als nächstes wird der Betrieb des Brennstoffzellensystem 1 beschrieben.
  • Wie in 3 gezeigt wird, schließt während einer Tieftemperaturperiode das Brennstoffzellensystem 1 den ersten Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und öffnet gleichzeitig den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27 und rotiert des Weiteren den Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 in einer Luftabgasungsrichtung, also von der Innenseite zur Außenseite der Wärmeaustauschkammer 17, um dadurch die heiße Abgasluft von dem Brennstoffzellenstapel 2 in die Wärmeaustauschkammer 17 zu führen, sodass übermäßiges Abkühlen der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten verhindert werden kann.
  • Das übermäßige Abkühlen der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten, wie beispielsweise des Wasserstofftanks 4, tritt unter einer Bedingung I auf, in der die Menge des Wasserstoffs, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 verbraucht wird, groß ist, wodurch ein schneller Abfall des Druckes des Wasserstofftanks 4 verursacht wird. Unter solch einer Bedingung ist gleichfalls die Menge der Abwärme von dem Brennstoffzellenstapel 2 groß. Aus diesem Grund ist es durch Führen der Abgasluft von dem Brennstoffzellenstapel 2 in die Wärmeaustauschkammer 17, die die mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten einhaust, möglich, ein übermäßiges Abkühlen der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten zu verhindern.
  • Andererseits, wie in 4 gezeigt ist, öffnet während einer Hochtemperaturperiode das Brennstoffzellensystem 1 den ersten Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und schließt gleichzeitig den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27, und rotiert weiterhin den Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 in eine Luftzuführungsrichtung, welche von der Außenseite zur Innenseite der Luftaustauschkammer 17 weist, um dadurch die Kühlluft innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 in den Luftzuführungskanal 8 zu führen, der mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist, sodass ein übermäßiges Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 2 verhindert werden kann.
  • Das übermäßige Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 2 ist möglich, wenn er Leistung unter einer Hochtemperatur- und Hochlastbedingung erzeugt. Unter solch einer Bedingung verringert sich der Druck des Wasserstofftanks 4 schnell und entsprechend sinkt die Temperatur der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten einschließlich des Wasserstofftanks 4 stark ab. Entsprechend ist es durch Leiten der Luft innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 in den Brennstoffzellenstapel 2 möglich, das übermäßige Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 2 zu verhindern.
  • Wenn die Temperaturen sich in Bereichen befinden, in denen keine Möglichkeit eines übermäßigen Kühlens der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten oder einer übermäßigen Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 2 besteht, verschließen das erste Schaltventil 26 und das zweite Schaltventil 27 beide ihren jeweiligen ersten Verbindungsteil 23 und zweiten Verbindungsteil 24, und der Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 wird angehalten.
  • Als nächstes wird die Steuerung des ersten Schaltventils 26, des zweiten Schaltventils 27 und des Luftgebläselüfters 28 des Brennstoffzellensystems 1 im Detail für jede Bedingung in Übereinstimmung mit einem Zustandsübergangsdiagramm in 5 beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 gibt Signale T1, T2, T3 und H1 in das Steuerungsmittel 33 ein, die jeweils von dem Zufuhrlufttemperatursensor 29, dem Abgaslufttemperatursensor 30, dem Wasserstofftanktemperatursensor 31 und dem Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32 festgestellt worden sind, um das Steuerungsmittel 33, das erste Schaltventil 26, das zweite Schaltventil 27 und den Luftgebläselüfter 28 auf die folgenden Weisen steuern zu lassen.
  • Als erstes betreibt, sobald das Brennstoffzellensystem 1 aktiviert wird, das Steuerungsmittel 33 das Brennstoffzellensystem 1 in einem normalen Modus (1). In dem normalen Modus (1) verschließen das erste Schaltventil 26 und das zweite Schaltventil 27 beide den ersten Verbindungsteil 23 und den zweiten Verbindungsteil 24 und der Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 ist einen angehaltenen Zustand versetzt.
  • Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist, eine Lasterhöhung erfährt, die den Strom, der in dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugt wird, vergrößert, und auf diese Weise die Menge des Wasserstoffs, die in dem Brennstoffzellenstapel 2 verbraucht wird, erhöht, fällt der Druck in dem Wasserstofftank 4 rapide ab, wodurch die Temperatur der wasserstoffbezogenen Komponenten, wie beispielsweise des Wasserstofftanks 4 und des Druckminderventils 5 gesenkt wird. Wenn die Temperatur T3, die durch den Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt wird, eine bestimmte Temperatur T3L (unterer Temperaturgrenzwert), die im vorhinein festgelegt worden ist (T3 ≤ T3L), erreicht oder unterschreitet, betreibt das Steuerungsmittel 33 das Brennstoffzellensystem 1 in einem Beheizmodus (2) für mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponenten.
  • In dem Beheizmodus (2) für mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponenten schließt das Steuerungsmittel 33 den ersten Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und öffnet gleichzeitig den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27 und rotiert darüber hinaus den Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 in die Luftabgasungsrichtung, um dadurch die heiße Abgasluft von dem Brennstoffzellenstapel 2 in die Wärmeaustauschkammer 17 zu führen. Die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 2 erhöht die Temperatur des Wasserstofftanks 4 und der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 schaltet in den Normalmodus (1) zurück, wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 4 und der wasserstoffbezogenen Komponenten durch die Abwärme vom Brennstoffzellenstapel 2 ansteigt und die Temperatur T3, die durch den Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt wird, eine vorbestimmte Temperatur T3H (T3 ≥ T3H), die höher ist, als die vorbestimmte Temperatur T3L, erreicht oder übertrifft. Beim Umschalten in den Normalmodus (1) schließt das Steuerungsmittel 33 den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27 und stoppt die Rotation des Luftgebläselüfters 28 in dem dritten Verbindungsteil 25. In diesem Fall hat das Steuerungsmittel 33 eine Hysterese bezüglich der Steuerung des ersten Schaltventils 26, des zweiten Schaltventils 27 und des Luftgebläselüfters 28. Aus diesem Grund ist die erste voreingestellte Temperatur T3H zu einem Wert gesetzt, der größer ist als die zweite vorbestimmte Temperatur T3L (T3H > T3L).
  • Als nächstes betreibt das Steuerungsmittel 33 während einer Hochtemperaturperiode das Brennstoffzellensystem 1 in einem Brennstoffzellenstapelkühlmodus (3), wenn die Temperatur T2, die durch den Abgaslufttemperatursensor 30 des Brennstoffzellenstapels 2 festgestellt worden ist, eine vorbestimmte Temperatur T2H (obere Grenzwerttemperatur), die im vorhinein festgelegt worden ist (T2 ≥ T2H), erreicht oder übertrifft. In dem Brennstoffzellenkühlmodus (3) öffnet das Steuerungsmittel 33 den ersten Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und schließt gleichzeitig den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27 und rotiert darüber hinaus den Luftgebläselüfter 28 im dritten Verbindungsteil 25 in die Luftzuführungsrichtung, um dadurch die Kühlluft innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 in den Luftzuführungskanal 8 des Brennstoffzellenstapels 2 zu führen. Die Kühlluft innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 senkt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 schaltet zurück in den Normalmodus (1), wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 durch Einnehmen der Luft innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17, die kühler ist als die Umgebungsluft, absinkt und die Temperatur T2, die von dem Abgaslufttemperatursensor 30 festgestellt wird, eine vorbestimmte Temperatur T2L (T2 ≤ T2L) erreicht oder unterschreitet, die niedriger ist als die vorbestimmte Temperatur T2H. Beim Umschalten zum Normalmodus (1) schließt das Steuerungsmittel 33 das erste Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und stoppt die Rotation des Luftgebläselüfters 28 im dritten Verbindungsteil 25. Hier hat das Steuerungsmittel 33 eine Hysterese im Steuern des ersten Schaltventils 26, des zweiten Schaltventils 27 und des Luftgebläselüfters 28. Aus diesem Grund ist die erste festgesetzte Temperatur T2L zu einem niedrigeren Wert gesetzt als die zweite festgesetzte Temperatur T2H (T2L < T2H).
  • Darüber hinaus führt das Brennstoffzellensystem 2 die folgenden beiden Arten von Steuerungen zusätzlich zu den Steuerungen, die oben beschrieben worden sind, aus.
  • Die erste Art der Steuerung ist die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 in einem Wasserstoffverlustzustand. Eine Wasserstoffgaskonzentration H1 innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17, die durch den Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32 festgestellt wird, erhöht sich in einem Fall eines Verlustes von Wasserstoffgas aus einer der wasserstoffbezogenen Komponenten, wie beispielsweise dem Wasserstofftank 4 und jenen zwischen dem Wasserstofftank 4 und dem Brennstoffzellenstapel 2, einschließlich dem Wasserstoffzuführungsrohr 5 und dem Druckminderventil 6. Das Steuerungsmittel 33 betreibt das Brennstoffzellensystem 1 in einem Verlustwasserstoffabgasungsmodus (4), wenn die festgestellte Wasserstoffgaskonzentration H1 eine voreingestellte Konzentration H1L (H1 ≥ H1L) erreicht oder überschreitet, die im vorhinein festgelegt worden ist.
  • In dem Verlustwasserstoffabgasungsmodus (4) schließt das Steuerungsmittel 33 den ersten Verbindungsteil 23 mit dem ersten Schaltventil 26 und öffnet gleichzeitig das zweite Verbindungsteil 24 mit dem zweiten Schaltventil 27 und rotiert darüber hinaus den Luftgebläselüfter 28 in dem dritten Verbindungsteil 25 in die Luftabgasungsrichtung um dadurch das unbeabsichtigt ausgetretene Wasserstoffgas innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 zur Atmosphäre abzugasen. Auf diese Weise ist es möglich, zu verhindern, dass das Wasserstoffgas innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 verbleibt. Das Brennstoffzellensystem 1 schaltet in den Verlustwasserstoffabgasungsmodus (4), sobald die Wasserstoffgaskonzentration H1, die durch den Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32 festgestellt wird, die festgelegte Konzentration H1L erreicht oder überschreitet, ungeachtet dessen, ob das Brennstoffzellensystem 1 in einem der oben beschriebenen Modi (1), (2) und (3) oder in dem später beschriebenen Modus (5) betrieben wird.
  • Die zweite Art der Steuerung ist die Steuerung, die ausgeführt wird, wenn Wasserstoffgas in den Wasserstofftank 4 eingefüllt wird. In einer Wasserstoffstation zum Einfüllen von Wasserstoffgas wird das Wasserstoffgas in den Wasserstofftank 4 des Brennstoffzellenfahrzeugs von Seiten der Wasserstoffstation eingefüllt. Bei diesem Vorgang erhöht sich die Tanktemperatur aufgrund des Wasserstoffgases, das adiabatisch komprimiert wird. Der Wasserstofftank 4 hat eine zulässige Temperatur nicht nur auf der Seite der tieferen Temperatur sondern auch auf Seiten der erhöhten Temperatur und kann nicht in einem Temperaturbereich darüber verwendet werden.
  • In dieser Hinsicht ist eine Vorkühlungstechnik bekannt, bei der Wasserstoffgas, das zu einer niedrigeren Temperatur im vorhinein abgesenkt worden ist, eingefüllt wird. Eine andere Verfahrensweise ist auch bekannt, in der die Brennstoffzellenfahrzeugseite und die Wasserstoffstationsseite miteinander kommunizieren, sodass die Wasserstoffstationsseite die Tanktemperatur des Wasserstofftanks 4, der an dem Fahrzeug befestigt ist, herausfinden kann und die Füllrate derart steuern kann, dass verhindert wird, dass die Temperatur die zulässige Temperatur erreicht. Im vorliegenden Fall ist das Unterdrücken der Temperatursteigerung in dem Wasserstofftank 4 wirkungsvoll hinsichtlich einer Beschleunigung der Füllrate.
  • In diesem Brennstoffzellensystem 1 betreibt das Steuerungsmittel 33 während des Füllens des Wasserstoffgases in den Wasserstofftank 4 das Brennstoffzellensystem 1 in einem Wasserstofftankkühlmodus (5), wenn die Tanktemperatur T3, die durch den Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt wird, einen vorbestimmten Wert T3FH, der vorher festgelegt worden ist, erreicht oder überschreitet (T3 ≥ T3FH). Im Wasserstofftankkühlmodus (5) öffnet das Steuerungsmittel 33 den ersten Verbindungsteil 23 und den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem ersten Schaltventil 26 und dem zweiten Schaltventil 27 und rotiert darüber hinaus den Luftgebläselüfter 28 im dritten Verbindungsteil 25 in die Luftzuführungsrichtung, um die Innenseite der Wärmeaustauschkammer 17 abzusaugen. Als Folge dessen wird der Wasserstofftank 4 abgekühlt.
  • Das Brennstoffzellensystem schaltet zurück in den Normalmodus (1) wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 4 sinkt und die Tanktemperatur T3, die durch den Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt wird, einen anderen vorher bestimmten Wert T3FL erreicht oder unterschreitet, der niedriger ist als der vorher bestimmte Wert T3FH (T3 ≤ T3FL). Beim Umschalten in den Normalmodus (1) schließt das Steuerungsmittel 33 den ersten Verbindungsteil 23 und den zweiten Verbindungsteil 24 mit dem ersten Schaltventil 26 und dem zweiten Schaltventil 27 und stoppt die Rotation des Luftgebläselüfters 28 in dem dritten Verbindungsteil 25. Dabei hat das Steuerungsmittel 33 eine Hysterese in der Steuerung des ersten Schaltventils 26, des zweiten Schaltventils 27 und des Luftgebläselüfters 28. Aus diesem Grund ist der zweite voreingestellte Wert T3FL zu einem niedrigeren Wert gesetzt als der erste voreingestellte Wert T3FH (T3FH > T3FL).
  • Wie oben beschrieben, erwärmt das Brennstoffzellensystem 1 die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 mit der heißen Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgegast wird, wenn die Tanktemperatur T3 des Wasserstofftanks 4 die vorbestimmte Temperatur T3L erreicht oder unterschreitet, mittels der Struktur, in der die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17, die in der Lage ist, mit dem Luftzuführungskanal 8 und dem Luftabgasungskanal 9 zu verbinden, angeordnet ist. Entsprechend ist es möglich, zu verhindern, dass die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 kalt wird.
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 den Brennstoffzellenstapel 2 mit der Luft, die in die Wärmeaustauschkammer 17 eingeführt und durch die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 abgekühlt wird, versorgen, wenn die Temperatur T2 der Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgegast wird, die vorbestimmte Temperatur T2H erreicht oder überschreitet. Dementsprechend ist es möglich, die Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels 2 zu verbessern.
  • In dem Fall, in dem der Brennstoffzellenstapel 2 ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel ist, der Luft als sowohl Reaktionsgas als auch das Kühlmedium benutzt, kann das Brennstoffzellensystem 1 darüber hinaus die Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels 2 durch Verwenden der oben genannten Struktur verbessern.
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 die Richtung der Verbindung der Wärmeaustauschkammer 17 und die Richtung der Luftströmung mittels der Struktur, bei der das erste Schaltventil 26 in dem ersten Verbindungsteil 23, der mit dem Luftzuführungskanal 8 verbunden ist, bei der das zweite Schaltventil 27 in dem zweiten Verbindungsteil 24, der mit dem Luftabgasungskanal 9 verbunden ist, und bei der das Luftgebläselüfter 28, das in der Lage ist, seine Luftblasrichtung umzuschalten, in dem dritten Verbindungsteil 25 an einer stromaufwärtigen Position in Richtung des Flusses des Wasserstoffgases angeordnet ist, umschalten. Entsprechend ist es möglich, zwischen dem Zustand zum Verhindern, das die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 kalt wird und den Zustand zum Verbessern der Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels 2 umzuschalten.
  • Das Brennstoffzellensystem kann den Zustand zu dem besseren Zustand der Zustände zum Verhindern, dass die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung 3 kalt wird und zum Verbessern der Kühlleistung des Brennstoffzellenstapels 2 umschalten, und zwar auf Grundlage der Temperatur der Luft, die in den Luftzuführungskanal 8 fließt, welche durch den Zufuhrlufttemperatursensor 29 festgestellt wird, der Temperatur der Luft, die in den Luftabgasungskanal 9 fließt, die durch den Abgaslufttemperatursensor 30 festgestellt wird, und der Tanktemperatur des Wasserstofftanks 4, die durch den Wasserstofftanktemperatursensor 31 festgestellt wird.
  • Darüber hinaus ist in dem Brennstoffzellensystem das Wasserstoffentlüftungsrohr 15 zum Abgasen überschüssigen Wasserstoffgases, das mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden ist, mit seinem stromabwärtigen Endabschnitt mit dem Luftabgasungskanal 9 an einem Abschnitt verbunden, der stromabwärts des zweiten Verbindungsteils 24 in Richtung der Strömung der Luft in dem Luftabgasungskanal 9 liegt. Entsprechend ist es möglich, zu verhindern, dass das überschüssige Wasserstoffgas, das durch das Wasserstoffentlüftungsrohr 15 abgegast wird, in die Wärmeaustauschkammer 17 einfließt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 führt Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer 17 ein und lässt sie in den Luftabgasungskanal 9 einfließen, wenn die Wasserstoffgaskonzentration innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17, die durch den Wasserstoffgaskonzentrationssensor 32 festgestellt wird, eine vorbestimmte Konzentration erreicht oder überschreitet. Entsprechend ist es möglich, zu verhindern, dass Wasserstoffgas innerhalb der Wärmeaustauschkammer 17 verbleibt, wodurch die Sicherheit des Brennstoffzellensystems 1 verbessert werden kann.
  • Weil der Luftgebläselüfter 28 eine explosionsfeste Struktur aufweist, kann das Brennstoffzellensystem 1 sicher den Luftgebläselüfter 28 betreiben, selbst wenn das Wasserstoffgas in die Wärmeaustauschkammer 17 ausläuft.
  • Darüber hinaus öffnet in dem Fall, wenn Wasserstoffgas in den Wasserstofftank 4 eingefüllt wird, das Brennstoffzellensystem 1 mindestens eines des ersten Schaltventils 26 und des zweiten Schaltventils 27 (beide Ventile in dieser Ausführungsform) und führt Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer 17 mittels des Luftgebläselüfters 28 ein, wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 4 einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet. Somit kühlt die Umgebungsluft den Wasserstofftank 4, wenn das Wasserstoffgas in den Wasserstofftank 4 eingeführt wird, wodurch es möglich wird, einen Temperaturanstieg darin aufgrund der adiabatischen Kompression des Wasserstoffgases zu unterdrücken. Entsprechend ist es möglich, die Zeit zum Einfüllen des Wasserstoffgases in den Wasserstofftank 4 zu verkürzen.
  • In dem Brennstoffzellensystem 1 hat die Wärmeaustauschkammer 17 die Struktur, in der der untere Kammerteil 18 eine solche Querschnittsform aufweist, dass er auf der Oberseite geöffnet ist, und der obere Kammerteil 20, der im Boden 21 des Fahrzeugs gebildet ist, schließt die Öffnung 19 auf der Oberseite des unteren Kammerteils 18. Auf diese Weise ist die Struktur der Wärmeaustauschkammer 17 einfach gestaltet. Dementsprechend ist es möglich, ihre Befestigbarkeit an dem Fahrzeug zu verbessern.
  • Auch wenn die Wärmeaustauschkammer 17 in der voranstehenden Ausführungsform in dem luftgekühlten Brennstoffzellensystem 1 bereitgestellt ist, ist das Verfahren zum Kühlen des Brennstoffzellensystems nicht beschränkt auf luftgekühlte Brennstoffzellensysteme und ist anwendbar auf wassergekühlte Brennstoffzellensysteme. Insbesondere ist die Wirkung der Verhinderung des übermäßigen Kühlens der mit Wasserstoff in Verbindung stehenden Komponenten in einer Niedrigtemperaturperiode größer, weil die Temperatur der Abgasungsluft in wassergekühlten Brennstoffzellensystemen höher ist als in luftgekühlten Brennstoffzellensystemen.
  • Darüber hinaus ist es möglich, einen Saugzuggebläselüfter in dem Luftabgasungskanal 9 auf der Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels 2 bereitzustellen, wenn ein Zwangsgebläselüfter 11 in dem Luftzuführungskanal 8 zum Zuführen von Luft in den Brennstoffzellenstapel 2 in der voranstehenden Ausführungsform bereitgestellt wird.
  • Außerdem ist es möglich, sowohl einen Lüfter zum Einblasen von Luft als auch einen weiteren Lüfter zum Ausblasen von Luft bereitzustellen, während in der voranstehenden Ausführungsform ein einziger Luftgebläselüfter 28 bereitgestellt wird, der in der Lage ist, vorwärts und rückwärts zu rotieren, um Luft in oder aus der Wärmeaustauschkammer 17 zu blasen.
  • [Industrielle Anwendbarkeit]
  • Diese Erfindung verhindert, dass mit Wasserstoff in Verbindung stehende Komponenten aufgrund einer adiabatischen Expansion von Wasserstoffgas kalt werden und verbessert außerdem die Kühlleistung eines Brennstoffzellenstapels, und ist nicht nur auf luftgekühlte Brennstoffzellensysteme anwendbar, sondern auch auf wassergekühlte Brennstoffzellensysteme.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Wasserstoffgaszuführungseinrichtung
    4
    Wasserstofftank
    5
    Wasserstoffzuführungsrohr
    6
    Druckminderventil
    8
    Luftzuführungskanal
    9
    Luftabführungskanal
    10
    Filter
    11
    Lüftergebläse
    15
    Wasserstoffentlüftungsrohr
    16
    Entlüftungsventil
    17
    Wärmeaustauschkammer
    23
    erstes Verbindungsteil
    24
    zweites Verbindungsteil
    25
    drittes Verbindungsteil
    26
    erstes Schaltventil
    27
    zweites Schaltventil
    28
    Luftgebläselüfter
    29
    Zufuhrlufttemperatursensor
    30
    Abgaslufttemperatursensor
    31
    Wasserstofftanktemperatursensor
    32
    Wasserstoffgaskonzentrationssensor
    33
    Steuerungsmittel

Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem (1), das umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (2); eine Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) umfassend ein Wasserstofftank (4), ein Druckminderventil (6) und ein Wasserstoffzuführungsrohr (5), wobei die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) dafür eingerichtet ist, Wasserstoffgas, das in dem Wasserstofftank (4) eingefüllt ist, dem Brennstoffzellenstapel (2) durch das Druckminderventil (6) zuzuführen; einen Luftzuführungskanal (8), der dafür eingerichtet ist, in den Brennstoffzellenstapel (2) Luft zuzuführen; und einen Luftabgasungskanal (9), der dafür eingerichtet ist, überschüssige Luft von dem Brennstoffzellenstapel (2) abzuführen, wobei in dem Brennstoffzellensystem (1) die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) innerhalb einer Wärmeaustauschkammer (17) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschkammer (17) umfasst: ein erstes Schaltventil (26) zum Öffnen und Schließen eines ersten Verbindungsteils (23), das mit dem Luftzuführungskanal (8) verbindet; ein zweites Schaltventil (27) zum Öffnen und Schließen eines zweiten Verbindungsteils (24), das mit dem Luftabgasungskanal (9) verbindet; und ein drittes Verbindungsteil (25), das mit einer Außenseite an einem stromaufwärtigen Abschnitt der Wärmeaustauschkammer (17) in Richtung eines Stroms des Wasserstoffgases verbindet, wobei ein Luftgebläselüfter (28), der in der Lage ist, seine Luftblasrichtung umzuschalten, in dem dritten Verbindungsteil (25) angeordnet ist, und ein Temperatursensor (31), der dafür eingerichtet ist, eine Temperatur (T3) des Wasserstofftanks (4) festzustellen, in der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) angeordnet ist, wobei ein Steuerungsmittel (33) derart ausgestaltet ist, dass das erste Schaltventil (26) schließt und gleichzeitig das zweite Schaltventil (27) öffnet, wenn die Temperatur (T3) der Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) eine untere Grenzwerttemperatur (T3L) erreicht oder unterschreitet, und darüber hinaus der Luftgebläselüfter (28) in dem dritten Verbindungsteil (25) in die Luftabgasungsrichtung rotiert, um dadurch die Luft von dem Brennstoffzellenstapel (2) in die Wärmeaustauschkammer (17) zu führen, und wenn die Temperatur (T2) der Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel (2) abgegast wird, eine obere Grenzwerttemperatur (T2H) erreicht oder überschreitet, das erste Schaltventil (26) öffnet und gleichzeitig das zweite Schaltventil (27) schließt und darüber hinaus der Luftgebläselüfter (28) in dem dritten Verbindungsteil (25) in die Luftzuführungsrichtung rotiert, um dadurch die Luft innerhalb der Wärmeaustauschkammer (17), die durch die Wasserstoffgaszuführungseinrichtung (3) abgekühlt wird, in den Brennstoffzellenstapel (2) zu führen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem der Brennstoffzellenstapel (2) ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel (2) ist, der Luft sowohl als Reaktionsgas als auch als Kühlmedium verwendet.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem ein Zufuhrlufttemperatursensor (29), der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur (T1) von Luft festzustellen, in dem Luftzuführungskanal (8) angeordnet ist, bei dem ein Abgaslufttemperatursensor (30), der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur (T2) von Luft festzustellen, in dem Luftabgasungskanal (9) angeordnet ist, und das erste Schaltventil (26), das zweite Schaltventil (27) und der Luftgebläselüfter (28) selektiv auf Grundlage der Temperaturen (T1, T2, T3), die durch die Temperatursensoren (29, 30, 31) festgestellt werden, betrieben werden.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem ein Wasserstoffentlüftungsrohr (15) zum Abgasen überschüssigen Wasserstoffgases mit dem Brennstoffzellenstapel (2) verbunden ist, und ein stromabwärtiger Endabschnitt des Wasserstoffentlüftungsrohres (15) mit dem Luftabgasungskanal (9) an einem Abschnitt stromabwärts des zweiten Verbindungsteils (24) in einer Richtung einer Strömung der Luft in dem Luftabgasungskanal (9) verbunden ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeaustauschkammer (17) einen Wasserstoffgaskonzentrationssensor (32) umfasst, der dafür eingerichtet ist, eine Wasserstoffgaskonzentration (H1) darin zu ermitteln, und Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer (17) eingeleitet und in den Luftabgasungskanal (9) weitergeleitet wird, wenn die Wasserstoffgaskonzentration, die von dem Wasserstoffgaskonzentrationssensor (32) festgestellt wird, eine vorbestimmte Konzentration erreicht oder überschreitet.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem der Luftgebläselüfter (28) eine explosionsfeste Struktur aufweist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei dem im Falle des Einfüllens von Wasserstoffgas in den Wasserstofftank (4) mindestens eines des ersten Schaltventils (26) und des zweiten Schaltventils (27) geöffnet ist und die Umgebungsluft in die Wärmeaustauschkammer (17) mittels des Luftgebläselüfters (28) eingeführt wird, wenn die Temperatur (T3) des Wasserstofftanks (4) einen vorbestimmten Wert erreicht oder überschreitet.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeaustauschkammer (17) einen unteren Kammerteil (18), der eine solche Querschnittsform aufweist, dass er zu einer oberen Seite hin geöffnet ist, und einen oberer Kammerteil (20) zum Schließen der Öffnung in dem unteren Kammerteil (18), umfasst und der obere Kammerteil (20) durch einen Boden (21) eines Fahrzeuges gebildet ist.
DE112011102865.2T 2010-08-31 2011-07-13 Brennstoffzellensystem Active DE112011102865B4 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010-194192 2010-08-31
JP2010194192A JP5440452B2 (ja) 2010-08-31 2010-08-31 燃料電池システム
PCT/JP2011/065925 WO2012029414A1 (ja) 2010-08-31 2011-07-13 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE112011102865T5 DE112011102865T5 (de) 2013-06-27
DE112011102865B4 true DE112011102865B4 (de) 2015-02-19

Family

ID=45772525

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112011102865.2T Active DE112011102865B4 (de) 2010-08-31 2011-07-13 Brennstoffzellensystem

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8940448B2 (de)
JP (1) JP5440452B2 (de)
CN (1) CN102959783B (de)
DE (1) DE112011102865B4 (de)
GB (1) GB2495053B (de)
WO (1) WO2012029414A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016217643A1 (de) * 2016-09-15 2018-03-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Druckbehältersystem mit einer Temperaturüberwachungsvorrichtung sowie Verfahren zum Überwachen einer Temperatur
WO2019145099A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur entnahme von brennstoff aus einem druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie druckbehältersystem

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112013001600B4 (de) * 2012-03-21 2023-10-26 Suzuki Motor Corporation Luftansaugvorrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug
WO2013161804A1 (ja) * 2012-04-27 2013-10-31 スズキ株式会社 車両用燃料電池装置
JP5942620B2 (ja) * 2012-06-15 2016-06-29 スズキ株式会社 車両用燃料電池装置
WO2014026287A1 (en) * 2012-08-14 2014-02-20 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell components, stacks and modular fuel cell systems
CA2919875C (en) 2012-08-14 2021-08-17 Powerdisc Development Corporation Ltd. Fuel cell flow channels and flow fields
US9644277B2 (en) 2012-08-14 2017-05-09 Loop Energy Inc. Reactant flow channels for electrolyzer applications
CN103887544B (zh) * 2012-12-21 2017-03-15 上海汽车集团股份有限公司 燃料电池汽车散热装置
CN103401004A (zh) * 2013-07-11 2013-11-20 西南交通大学 空冷燃料电池***及其耦合热控制方法
DE102013218958A1 (de) 2013-09-20 2015-03-26 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Abgasanlage und Kraftfahrzeug mit Abgasanlage
JP6191381B2 (ja) * 2013-10-17 2017-09-06 スズキ株式会社 燃料電池二輪車
JP6135530B2 (ja) * 2014-02-04 2017-05-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車
EP3433894B1 (de) 2016-03-22 2024-05-08 Loop Energy Inc. Brennstoffzellenströmungsfelddesign für thermomanagement
JP6620890B2 (ja) * 2016-08-10 2019-12-18 日産自動車株式会社 燃料電池システム、及び、燃料電池システムの制御方法
CN107394231A (zh) * 2017-05-31 2017-11-24 中国东方电气集团有限公司 采用燃料电池的动力***及具有其的整车***
CN107394230A (zh) * 2017-05-31 2017-11-24 中国东方电气集团有限公司 采用燃料电池的动力***及具有其的整车***
KR102322386B1 (ko) * 2017-08-14 2021-11-04 현대자동차주식회사 자동차 연료 시스템의 연료탱크 폭발 방지 장치
CN107681177A (zh) * 2017-08-14 2018-02-09 中国东方电气集团有限公司 一种燃料电池***及包括其的交通工具
CN111213004B (zh) * 2017-10-10 2021-09-24 沃尔沃卡车集团 用于卡车的氢气排放***和包括这种***的卡车
CN109786784A (zh) * 2018-12-29 2019-05-21 北汽福田汽车股份有限公司 燃料电池***和车辆
CN109707992B (zh) * 2019-01-12 2023-11-03 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种多功能充电加氢站
CN110056768A (zh) * 2019-03-14 2019-07-26 武汉格罗夫氢能汽车有限公司 一种氢燃料电池汽车排气管智能化处理装置
TWI709278B (zh) * 2019-08-20 2020-11-01 元智大學 氣體降壓裝置、燃料電池系統及電動車
CN111063913A (zh) * 2019-12-27 2020-04-24 广东能创科技有限公司 一种用于甲醇水重整制氢燃料电池发电的户外机柜
CN111707757B (zh) * 2020-06-29 2023-01-10 杭州柯林电气股份有限公司 一种基于fid的变压器油在线色谱分析方法
CN112234226A (zh) * 2020-11-03 2021-01-15 中国北方发动机研究所(天津) 一种燃料电池用散热气流尾排***
CN112599814A (zh) * 2020-11-25 2021-04-02 清华大学 燃料电池***及燃料电池汽车
CN112763912A (zh) * 2020-12-25 2021-05-07 上海汉测智能科技有限公司 一种智能化氢燃料电池测试***及控制方法
CN113022332B (zh) * 2021-03-26 2021-11-09 大连擎研科技有限公司 一种大功率双燃料电池电堆车用***及其使用方法
CN114122458B (zh) * 2021-09-28 2023-09-19 东风汽车集团股份有限公司 氢燃料电池车辆及其供氢***
CN114744238B (zh) * 2022-04-22 2024-04-26 大洋电机燃料电池科技(中山)有限公司 一种燃料电池***及控制方法
CN116682992B (zh) * 2023-07-31 2023-12-08 山东美燃氢动力有限公司 一种燃料电池***及燃料电池电堆的停机吹扫方法
CN117936840B (zh) * 2024-03-21 2024-06-07 山东科技大学 一种燃料电池氢气路装置与控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202009011748U1 (de) * 2009-08-29 2009-11-26 Daimler Ag Brennstoffzellenantriebsvorrichtung
EP1818204B1 (de) * 2004-11-30 2012-07-11 Honda Motor Co., Ltd. Brennstoffzellenkraftfahrzeug und abgaberohrinstallationsstruktur für gasbrennstoff-kraftfahrzeug

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57138780A (en) * 1981-02-19 1982-08-27 Sanyo Electric Co Ltd Cooling device of fuel cell
JPS6217961A (ja) * 1985-07-15 1987-01-26 Sanyo Electric Co Ltd 空冷式燃料電池
JPH0831330B2 (ja) * 1986-03-07 1996-03-27 三洋電機株式会社 燃料電池の始動方法
JPS6477267A (en) 1987-09-17 1989-03-23 Est Kk Facsimile broadcasting reception equipment
JPH0177267U (de) 1987-11-13 1989-05-24
JP3849375B2 (ja) * 1999-11-18 2006-11-22 松下電器産業株式会社 熱電併給装置
JP4083506B2 (ja) * 2002-08-23 2008-04-30 本田技研工業株式会社 燃料電池車両
JP2004360709A (ja) * 2003-05-30 2004-12-24 Idemitsu Gas & Life Co Ltd 液化ガス燃料供給装置及び液化ガス燃料を供給する方法
JP2005044520A (ja) * 2003-07-22 2005-02-17 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2005071830A (ja) * 2003-08-26 2005-03-17 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素自動車
JP4756307B2 (ja) * 2004-07-01 2011-08-24 東芝燃料電池システム株式会社 燃料電池発電システムとその操作制御方法
JP2006344471A (ja) * 2005-06-08 2006-12-21 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の排出ガス処理装置および排出ガス処理システム
JP5024588B2 (ja) 2005-12-12 2012-09-12 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1818204B1 (de) * 2004-11-30 2012-07-11 Honda Motor Co., Ltd. Brennstoffzellenkraftfahrzeug und abgaberohrinstallationsstruktur für gasbrennstoff-kraftfahrzeug
DE202009011748U1 (de) * 2009-08-29 2009-11-26 Daimler Ag Brennstoffzellenantriebsvorrichtung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016217643A1 (de) * 2016-09-15 2018-03-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Druckbehältersystem mit einer Temperaturüberwachungsvorrichtung sowie Verfahren zum Überwachen einer Temperatur
WO2019145099A1 (de) * 2018-01-29 2019-08-01 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur entnahme von brennstoff aus einem druckbehältersystem mit mehreren druckbehältern sowie druckbehältersystem

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012029414A1 (ja) 2012-03-08
CN102959783A (zh) 2013-03-06
GB201300802D0 (en) 2013-02-27
GB2495053A (en) 2013-03-27
GB2495053B (en) 2017-04-12
DE112011102865T5 (de) 2013-06-27
CN102959783B (zh) 2015-03-11
JP5440452B2 (ja) 2014-03-12
US8940448B2 (en) 2015-01-27
JP2012054033A (ja) 2012-03-15
US20130149625A1 (en) 2013-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112011102865B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102016105995B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE10201893B4 (de) Brennstoffzellensystem zum Einbau in ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Steuern desselben
DE19722598B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie dessen Verwendung in einer Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung
DE112011101825B4 (de) Abgasungsvorrichtung eines luftgekühlten Brennstoffzellenfahrzeugs
DE112008000821B4 (de) Brennstoffzellensystem
EP1702842B1 (de) Luftfahrzeug mit einer Brennstoffzelle
DE112007001734B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE10229644B4 (de) Brennstoffzellenbetriebsverfahren
DE102004012477B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Speichern von Wasserstoff
EP2263280B1 (de) Flüssigkeitskühlungsvorrichtung für eine brennstoffzelleneinrichtung und brennstoffzellensystem
DE102015003028A1 (de) Kühlanordnung zum Kühlen einer Brennstoffzelle
DE112012001741T5 (de) Brennstoffzellenfahrzeug
DE112006002855T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Einstellung seiner Temperatur
EP3560016B1 (de) Brennstoffzuführanordnung für ein brennstoffzellensystem und brennstoffzellensystem
DE112008002321T5 (de) Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür
DE112011102786B4 (de) Lufteinnahmevorrichtung für luftgekühlte Brennstoffzellen und damit durchgeführtes Verfahren
DE112007001075B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Berechnung der Umlaufrate darin
DE102019209210A1 (de) Brennstoffzellensystem mit einer Belüftungsleitung und/oder einer Verdichterbelüftungsleitung, Verfahren zum Belüften eines Gehäuses eines Brennstoffzellensytems sowie Kraftfahrzeug
DE102015215790A1 (de) Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf-Entlüftungsventil, Brennstoffzellen-Kühlmittelkreislauf sowie Verfahren zum Filtern eines Kühlmittels in einer Brennstoffzellen-Kühleinrichtung
DE102008006726B4 (de) Brennstoffzellensystem zur Steuerung von Wasserstoffemissionen während Aufwärtstransienten und eines Kathodenpulsierens
DE102015225650A1 (de) Verfahren zum Temperieren eines Energiesystems
AT507763B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
DE102011014278A1 (de) Diagnosekonzept für ventilgesteuerte Kühlmittelumgehungspfade
DE102015001352A1 (de) Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: SR HUEBNER - MUNICH PATENTANWALTSPARTNERSCHAFT, DE

Representative=s name: SR HUEBNER & KOLLEGEN, DE

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008040070