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FELD DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere
auf eine Technologie, um eine Beschädigung des Brennstoffzellensystems
zu verhindern, die durch das Gefrieren von Wasser im Innern des
Systems in einer Niedrigtemperatur-Umgebung verursacht wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
in Tokkai H6-223855 offenbartes Brennstoffzellensystem, dass vom
japanischen Patentamt im Jahre 1994 veröffentlicht wurde, ist als Stand
der Technik bekannt.
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Dieses
System weist eine Brennstoffzelle, um elektrische Energie dadurch
zu erzeugen, dass Wasserstoffgas und Sauerstoffgas veranlasst werden,
elektrochemisch zu reagieren, einen Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang,
durch den Kühlwasser
zum Anpassen der Temperatur der Brennstoffzelle rückzirkuliert
wird und eine Gas-Druckvorrichtung auf, um das Kühlwasser aus dem Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang zu
beseitigen. Wenn die Arbeitsvorgänge
im Brennstoffzellensystem abgeschaltet werden, beseitigt die Gas-Druckvorrichtung
das Kühlwasser
im Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang
und speichert das Kühlwasser
in einem Behälter
auf der Außenseite
des Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgangs.
Die Gas-Druckvorrichtung führt Sauerstoff
oder Luft von einer Gas-Zuführungsquelle zu,
um die Brennstoffzelle über
ein offenes/geschlossenes Ventil mit Gas am Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang zu
versorgen. Auf diese Weise wird das im Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang
während
einem Betrieb des Brennstoffzellensystems umzuwälzende Wasser daran gehindert,
nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems des Standes der
Technik zu gefrieren.
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US
2001/055707 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das ein Spülsystem
aufweist, das einen Spülkanal
mit einem Einlass, der mit einer Spülversorgung verbunden ist,
und einen Auslass aufweist, der mit den Gas-Durchgängen, Befeuchtungs-Durchgängen und
einem Kühl-Durchgang verbunden
ist. Das Spülsystem
weist auch eine Spüldurchfluss-Steuerung-/Regelungsvorrichtung
auf, um Restwasser von den Durchgängen nach einem Abschalten
der Brennstoffzelle, nachdem die Ventile oder die Reaktionsgas-Durchgänge geschlossen wurden,
zu entfernen. Das Spülsystem
ist in Funktion, um die Kaltstart-Fähigkeit und eine Frosttoleranz der
Brennstoffzelle zu verbessern. Die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung ist mit mehreren
Ventilen, der Spülversorgung,
Schaltern und Sensoren verbunden. Der Befeuchter selbst wird vom
Spülsystem,
das die entsprechenden Ventile steuert/regelt, überbrückt. Der Kühlwasser-Kreislauf weist eine Pumpe,
einen Reservebehälter,
einen Wärmetauscher,
worin das Wasser durch den Stapel umgewälzt wird, auf und das Kühlwasser
wird durch den Wärmetauscher
erhitzt/gekühlt.
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WO
01 24296 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das ein Spülsystem
aufweist, das einen Spülkanal
mit einem an eine Spülversorgung
angeschlossenen Einlass und einen an die Gas-Durchgänge angeschlossenen
Auslass, Befeuchtungs-Durchgänge
und einen Kühlmittel-Durchgang aufweist,
um die Durchgänge
zu spülen,
wenn die Brennstoffzelle angehalten wird. Das Spülsystem weist außerdem eine
Spüldurchfluss-Steuerungs-/Regelungsvorrichtung
auf, um Restwasser von den Durchgängen nach einem Abschalten
der Brennstoffzelle, nachdem die Ventile oder die Reaktionsgas-Durchgänge geschlossen
wurden, zu entfernen. Die Steuerungs-/Regelungsvorrichtung ist mit mehreren
Ventilen, der Spülversorgung,
Schaltern und Sensoren verbunden und betätigt den Abschalt- und Startvorgang.
Hauptsächlich
wird die Temperatur im Stapel oder des Gasdurchflusses der Ausgänge des
Stapels gemessen. Der Kühlwasser-Kreislauf weist eine
Pumpe, einen Reservebehälter,
einen Wärmetauscher
auf, worin das Wasser durch den Stapel ungewälzt wird, und das Kühlwasser
wird durch den Wärmetauscher
erhitzt/gekühlt.
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US
2001/0010872 A1 offenbart ein Brennstoffzellen-Befeuchtungssystem, das davor bewahrt wird,
einzufrieren, das eine Gas-Durchgang-Schaltvorrichtung zum Wechseln
des Gasfluss-Weges vorsieht, sodass die Durchgänge durch ein trockenes Gas
gereinigt werden können.
Während
des Fegebetriebs reinigen sich Gas-Durchgänge, der Befeuchter, Befeuchtungsdurchgänge und
die Kühlmittel-Durchgänge, sobald
die Brennstoffzelle angehalten wird. Eine Steuerungs-/Regelungseinheit
stellt die Ventile so ein, dass, Spülgas anstelle von Reaktionsgasen
in die Durchgänge
eindringen kann.
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US
2001/0016276 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug
und ein Verfahren um die Vorrichtung zu steuern/zu regeln. Die Steuerungs-/Regelungseinheit
stellt ebenfalls ein Spülgas
in der Brennstoffzelle bereit, um Wasser abhängig vom Lastzustand des Fahrzeugs zu
beseitigen. Die Brennstoffzellen-Durchgänge, z. B. Gas-Durchgänge, Befeuchtungs-Durchgänge und der
Kühl-Durchgang werden
während
dem Betrieb der Zelle gereinigt. Die Steuerungs-/Regelungseinheit
stellt entsprechende Ventile ein, um die Gasstrom-Durchgänge zu reinigen.
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WO
00 65676 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Verfahren
zu dessen Abschalten. Wasser wird aus den Durchgängen und dem Kühlmittel-Kreislauf
gereinigt und in einem frostresistenten Speicherbehälter gespeichert.
Eine Steuerungs-/Regelungseinheit stoppt eine Befeuchtung und steuert/regelt
die Reinigung der Durchgänge
und der Brennstoffzelle.
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Schließlich offenbart
WO 97 48142 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Verfahren zu
dessen Abschalten. Wasser wird aus den Durchgängen und dem Kühlmittel-Kreislauf
gespült
und gespeichert. Eine Steuerungs-/Regelungseinheit stellt die Durchgangs-Ventile entsprechend
ein.
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JP 11 273705 A offenbart
eine Brennstoffzelle und ein Verfahren um das Gefrieren des Wassers in
der Zelle zu vermeiden. Wasser wird dadurch beseitigt, indem es
aus den Durchgängen
und der Zelle in einen Vorratsbehälter gepumpt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Beim
Stand der Technik ist jedoch der Kühlwasser-Rückzirkulationsdurchgang
so angeordnet, dass er sich nach oben und unten erstreckt und sich daher
Kühlwasser
im Durchgang ansammeln kann. Folglich kann das Wasser in oder um
eine Wasser-Rückzirkulationspumpe,
einem Ventil, usw. herum gefrieren, was eine Beschädigung dieser
Bauteile verursacht.
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Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Brennstoffzellensystem und
ein Steuerungs-/Regelungsverfahren
dafür bereitzustellen,
bei dem das Absperrventil zwischen dem Wasser-Ansaugteil und der
Pumpe davor bewahrt wird, einzufrieren.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird durch eine Kombination der Merkmale der Ansprüche 1, 17
bzw. 18 erreicht. Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausführungsformen
dieser Erfindung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
ersten Ausführungsform.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zeigt, die von einer Steuerungs-/Regelungseinheit
unmittelbar nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten
Ausführungsform
ausgeführt
wird.
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3 ist
eine erläuternde
Ansicht, die die Wasserverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems
gemäß der ersten
Ausführungsform
unmittelbar nach einem Abschaltvorgang zeigt. Die schraffierte Fläche zeigt
Wasser.
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4 ist
eine Ansicht, die die Wasserverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems
gemäß der ersten Ausführungsform
während
einer Wasser-Rückgewinnung
in einen Wassertank zeigt.
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5 ist
eine Ansicht, die die Wasserverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems
gemäß der ersten
Ausführungsform
während
einem Wasserausstoß zeigt.
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6 ist
eine Ansicht, die einen abgedichteten Gas-Zustand zeigt, um das Gefrieren im Brennstoffzellensystem
gemäß der ersten
Ausführungsform
zu verhindern.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zeigt, die von einer Steuerungs-/Regelungseinheit
ausgeführt
wird, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform
angefahren wird.
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8 ist
eine erläuternde
Ansicht, die den Durchfluss von erhitztem Kühlmittel während der Rückzirkulation von erhitztem
Kühlmittel
durch das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform
zeigt.
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9 ist
eine Ansicht, die die Wasserverteilung innerhalb des Brennstoffzellensystems
gemäß der ersten
Ausführungsform
während
dem Ausstoß von
Spülluft
zeigt.
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10 ist
eine erläuternde
Ansicht, die den Wasserdurchfluss durch das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten
Ausführungsform
während
einer Wasser-Rückzirkulation
im Wasser-Rückzirkulationssystem
zeigt.
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11 ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform
und einen abgedichteten Gas-Zustand zeigt, um das Gefrieren innerhalb
des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
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12 ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform
und einen abgedichteten Gaszustand zeigt, um das Gefrieren innerhalb
des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
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13 ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform
und einen abgedichteten Gaszustand zeigt, um das Gefrieren innerhalb
des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
ein in der ersten Ausführungsform
verwendetes Brennstoffzellensystem.
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Wasserstoffgas
von einem Wasserstofftank 37 bzw. Luft von einem Kompressor 2 werden
einer Anoden-Elektrode 17a und einer Kathoden-Elektrode 17b einer
Brennstoffzelle 17 zugeführt. Eine Anoden-Befeuchtungseinspritzdüse 27 dient
als Befeuchtungs-Vorrichtung, um Wasser in das Wasserstoffgas (z.
B. Brenngas) einzuspritzen, um die Anode der Brennstoffzelle 17 zu
befeuchten. Eine Kathoden-Befeuchtungseinspritzdüse 28 dient als Befeuchtungs-Vorrichtung,
um Wasser in die Luft (z. B. sauerstoffhaltiges Gas) einzuspritzen,
um die Kathode der Brennstoffzelle 17 zu befeuchten. Das
Wasser, das eingespritzt wird, ist in einem Wassertank 5 gespeichert.
Ein Wasserstoff-Steuerungs-/Regelungsventil 29a und ein
Luft-Steuerungs-/Regelungsventil 30a stellen die Zufuhr-Durchflussmenge
des Sauerstoffgases bzw. der Luft ein.
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Nachdem
eine Energieerzeugung in der Brennstoffzelle 17 durchgeführt wurde,
fließt
Abwasser von jeder der Elektroden 17a, 17b zu
einem Anoden-Durchgang 43 und einem Kathoden-Durchgang 44.
Ein Anodengas-/Wasserabscheider 33 und
ein Kathodengas-/Wasserabscheider 34,
die entsprechend am Anoden-Durchgang 43 und
Kathode-Durchgang 44 angeordnet sind, stellen die Feuchtigkeit
im Abwasser wieder her. Das von der Anode 17a ausgestoßene überschüssige Wasserstoffgas wird über ein
Anodenabwasser-Druckstellventil 31 zum Einstellen des Drucks
des Anodenabwassers einer Brennkammer 9 zugeführt. Auf
die gleiche Weise wird das von der Kathode 17b ausgestoßene Gas über ein
Kathodenabwasser-Druckstellventil 32 zum Einstellen des
Drucks des Kathodenabwassers der Brennkammer 9 zugeführt.
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Die
Brennkammer 9 erzeugt Verbrennungsgas unter Verwendung
des von der Brennstoffzelle 17 zugeführten Abwassers. Das erzeugte
Verbrennungsgas wird einem Wärmetauscher 10 zugeführt und
als Wärmequelle
verwendet. Nachdem es zum Erhitzen eines Kühlmittels im Kühlsystem
der Brennstoffzelle 17 verwendet wurde, wird das Verbrennungsgas
aus dem System ausgestoßen.
Wenn die erforderliche Wärmemenge
in der Brennkammer 9 durch Abwasser allein nicht erreicht
werden kann, oder wenn eine elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 17 während einem
Anfahren nicht stattfindet, werden Wasserstoff und Luft vom Wasserstofftank 37 und
dem Kompressor 2 der Brennkammer 9 direkt zugeführt. Der
Wasserstoff, der der Brennkammer 9 zugeführt wird,
wird durch ein Wasserstoffdurchfluss-Steuerungs- /Regelungsventil 29b eingestellt,
das an einem Rohr angeordnet ist, das mit der Brennkammer 9 als
Gabelung eines Rohrs verbunden ist, das sich vom Wasserstofftank 37 zur Brennstoffzelle 17 erstreckt.
Die Luft-Durchflussmenge
zur Brennkammer 9 wird durch ein Luftdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 30b eingestellt, das
an einem Rohr angeordnet ist, das mit der Brennkammer 9 als
Gabelung eines Rohrs verbunden ist, das sich vom Kompressor 2 zur
Brennstoffzelle 17 erstreckt.
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Das
Wasser, das vom Abwasser im Anoden-Gas-/Wasserabscheider 33 und Kathoden-Gas-/Wasserabscheider 34 zurückgewonnen wird,
wird im Innern eines Wassertanks 5 über ein Anoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 35 und
ein Kathoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 36 gesammelt.
Das Anoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 35 wird
zur Steuerung/Regelung eines Wasserstroms vom Anodengas-/Wasserabscheider 33 zum
Wassertank 5 verwendet. Das Kathoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 36 wird
zur Steuerung/Regelung eines Wasserstroms vom Kathodengas-/Wasserabscheider 34 zum
Wassertank 5 verwendet.
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Als
Nächstes
wird das Kühlsystem
zur Einstellung der Temperatur der Brennstoffzelle 17 beschrieben.
Das Kühlsystem
weist einen Kühlmittel-Durchlass 15,
durch den Kühlmittel
rückzirkuliert wird,
eine Kühlmittel-Pumpe 16 zur
Rückzirkulation des
Kühlmittels,
eine Kühlmittel-Kühlvorrichtung 38 zur
Kühlung
des Kühlmittels
und einen Wärmetauscher 10 zum
Erhitzen des Kühlmittels
auf. Das Kühlsystem
weist auch ein Kühlmittel-Durchgang-Wechselventil 39 zum
Umschalten zwischen einer Kühlmittel-Zuführung zur
Kühlmittel-Kühlvorrichtung 38 und zum
Wärmetauscher 10 auf.
Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 17 über eine
vorgegebene Temperatur ansteigt, schaltet eine Steuerungs-/Regelungseinheit 48 das
Wechselventil 39 um, sodass die Temperatur des Kühlmittels
in der Kühlmittel-Kühlvorrichtung 38 abgesenkt
wird und wenn die Temperatur der Brennstoffzelle unter eine vorgegebene Temperatur
abfällt,
schaltet eine Steuerungs-/Regelungseinheit 48 das
Wechselventil 39 so um, dass die Temperatur des Kühlmittels
im Wärmetauscher 10 angehoben
wird. Ein Temperatursensor (nicht gezeigt), der elektrisch mit der
Steuerungs-/Regelungseinheit 48 verbunden ist, ist in der
Brennstoffzelle 17 vorgesehen, um die Temperatur der Brennstoffzelle 17 zu
erfassen.
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Der
Kühlmittel-Durchlass 15 zirkuliert
durch die Brennstoffzelle 17 und die Temperatur der Brennstoffzelle 17 wird
eingestellt, während
Kühlmittel durch
die Brennstoffzelle 17 zurückzirkuliert wird. Der Kühlmittel-Durchlass 15 verläuft auch
durch den Wassertank 5 und daher stellt das temperaturbereinigte
Kühlmittel
die Temperatur des in den Wassertank 5 gespeicherten Wassers
ein.
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Ein
Befeuchtungssystem zur Befeuchtung des Wasserstoffgases und der
Luft, die der Brennstoffzelle 17 zugeführt werden, wird nun unter
Verwendung von 3 beschrieben.
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Das
Befeuchtungssystem weist den Wassertank 5, einen Wasser-Durchgang 11,
die Einspritzdüsen 27, 28 und
eine Wasserpumpe 8 auf. Der Wasser-Durchgang 11 wird
als Rückzirkulations-Durchgang
verwendet, durch den Wasser rückzirkuliert wird.
Die Wasserpumpe 8 bringt Wasser von einem Wasser-Ansaug-Abfluss 46 des
Wassertanks 5 zu einer Wasser-Sammelöffnung 56 des Wassertanks 5 durch den
Wasser-Durchgang 11 wieder in Umlauf. Somit stellen der
Wassertank 5, der Wasser-Durchgang 11 und die
Wasserpumpe 8 ein Wasser-Rückzirkulationssystem dar. Der
Wasser-Durchlass 11 erstreckt sich von einem Wasser-Ansaug-Abfluss 46, der
im unteren Bereich des Wassertanks 5 vorgesehen ist, zu
einer Wasser-Sammelöffnung 56,
die im oberen Bereich des Wassertanks 5 vorgesehen ist. Der
Wasser-Durchgang 11 ist mit einem konvexen Rohr 12 zwischen
einem gegabelten Bereich 49 und dem Wassertank 5 vorgesehen.
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Die
Anoden-Befeuchtungseinspritzdüse 27 ist
mit einem Einspritzdüsenrohr 27a versehen
und die Kathoden-Befeuchtungseinspritzdüse 28 ist
mit einem Einspritzdüsenrohr 28a versehen.
Die Anoden-Befeuchtungseinspritzdüse 27 und
die Kathoden-Befeuchtungseinspritzdüse 28 sind
an den Wasser-Durchgang 11 über das
Einspritzdüsenrohr 27a bzw.
das Einspritzdüsenrohr 28a angeschlossen. Folglich
wird den Einspritzdüsen 27, 28 Wasser
vom Wassertank 5 über
den Wasser-Durchgang 11 zugeführt.
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Der
Teil, der den oberen Bereich des konvexen Rohrs 12 darstellt,
wird als Scheitelbereich 12a bezeichnet, die Teile, die
die zwei unteren Enden des konvexen Rohrs 12 ausbilden,
werden als Bodenbereiche 12b, 12c bezeichnet und
die Teile zwischen dem Scheitelbereich 12a und dem Bodenbereichen 12b, 12c werden
als rechtwinklige Bereiche 12d, 12e bezeichnet.
Ein Absperrventil 7 zum Blockieren des Wasser-Durchgangs
und die Wasserpumpe 8, die als Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung dient,
sind am Scheitelbereich 12a angeordnet. Die Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung bringt
Wasser im Innern des Befeuchtungssystems wieder in Umlauf. Die Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung wird
allein von der Wasserpumpe 8 gebildet, kann aber durch
eine Mehrzahl von Komponenten gebildet werden. Zum Beispiel kann
die Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung
ein Wasserdruck-Stellventil
zum Einstellen des Wasserdrucks, einen Filter zum Reinigen des Wassers,
usw. aufweisen.
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Ein
Spülluft-Rohr 3 zweigt
vom Scheitelbereich 12a zwischen dem Absperrventil 7 und
der Wasserpumpe 8 ab und ist über ein Spülluft-Zuführungsventil 4 an
den Kompressor 2 angeschlossen. Die Spülluft, die als Spülgas dient,
wird dem Wasser-Durchgang 11 über eine Zuführungsöffnung 3a zugeführt, die
der Verbindungsbereich zwischen dem Spülluft-Rohr 3 und dem
konvexen Rohr 12 ist. Ferner ist ein Spülluft-Entlastungsrohr 14a, das vom Spülluft-Rohr 3 zwischen
dem Spülluft-Zuführungsventil 4 und
dem konvexen Rohr 12 abzweigt, durch ein Spülluft-Entlastungsventil 14b mit
der Außenseite verbunden.
Folglich wird eine Wasser-Beseitigungsvorrichtung
zur Zuführung
von Spülgas
vom Kompressor 2, dem Spülluft-Rohr 3, der
Zuführungsöffnung 3a und
dem Spülluft-Zuführungsventil 4 gebildet.
Eine Spülgas-Entlastungsvorrichtung
zur Ausgabe des Spülgases
wird vom Spülgas-Entlastungsrohr 14a,
dem Spülgas-Entlastungsventil 14b und
einem Teil des Spülgas-Rohrs 3 gebildet.
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Der
gegabelte Bereich 49 ist am Ende des nachgeschalteten Bodenbereichs 12c,
entfernt vom senkrechten Bereich 12e, vorgesehen. Ein Abfluss-Seitenrohr 49a zum
Abführen
von Wasser aus dem Wasser-Rückzirkulationssystem
und ein Zuführungs-Seitenrohr 49b zur
Zuführung
von Wasser zu den Einspritzdüsen 27, 28 zweigt
vom gegabelten Bereich 49 ab. Mit anderen Worten ist das
Abfluss-Seitenrohr 49a am gegabelten Bereich 49 an den
Wasser-Durchgang 11 angeschlossen. Das Abfluss- Seitenrohr 49a erstreckt
sich nach unten und ein Ablassventil 42 ist an diesem Rohr
vorgesehen. Durch Öffnen
des Ablassventils 42, wird Wasser aus dem Wasser-Durchgang 11 abgelassen.
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Den
Einspritzdüsen 27, 28 wird
Wasser durch das Zuführungs-Seitenrohr 49b zugeführt. Der Druck
des Wassers wird zu diesem Zeitpunkt durch ein Wasserdruck-Stellventil 20,
das auf der stromabwärts
liegenden Seite der Eintrittventile 27, 28 angeordnet
ist, eingestellt. Überschüssige Feuchtigkeit aus
dem oberen Bereich des Wassertanks 5 wird durch den Wasser-Durchgang 11 über das
Wasserdruck-Stellventil 20 gesammelt.
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Die
nachfolgenden Temperatursensoren sind vorgesehen, um das Wasser
in diesem Typ von Brennstoffzellensystem zu regeln.
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Als
erstes sind ein Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21 zum
Messen der Temperatur des Wassers im Innern des Wasser-Durchgangs 11,
der auf dem wassertankseitigen Bodenbereich 12b angeordnet
ist und ein Wassertank-Temperatursensor 22 zum
Messen der Temperatur des Wassers im Innern des Wassertanks 5 vorgesehen.
Ein Brennkammer-Temperatursensor 23 zum Messen der Temperatur
der Brennkammer 9, ein Wärmetauscher-Temperatursensor 24 zum Messen
der Temperatur des Wärmetauschers 10 und
ein Verbrennungsgas-Temperatursensor 25 zum
Messen der Temperatur des ausgestoßenen Verbrennungsgases, das
aus der Brennkammer 9 durch den Wärmetauscher 10 ausgestoßen wird,
sind ebenfalls vorgesehen. Ein Spülgas-Entlastungsrohr-Temperatursensor 26 zum
Messen der Temperatur des Spülgas-Entlastungsrohrs 14a am
Spülgas-Entlastungsrohr 14a ist
an der stromabwärts
liegenden Seite des Spülgas- Entlastungsventils 14b angeordnet.
Wie durch die strichpunktierte Linie in 1 gezeigt,
sind alle Temperatursensoren elektrisch an die Steuerungs-/Regelungseinheit 48 angeschlossen
und Temperatursignale werden an die Steuerungs-/Regelungseinheit 48 übertragen.
Die Steuerungs-/Regelungseinheit 48 führt eine Steuerung/Regelung
der Ventile, Pumpen, usw. entsprechend einem Temperatursignal von
einem oder mehreren der Temperatursensoren aus.
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Die
Anoden-Befeuchtungseinspritzdüse 27, die
Kathoden-Befeuchtungseinspritzdüse 28,
das Wasserstoff-Steuerungs-/Regelungsventil 29a,
das Luft-Steuerungs-/Regelungsventil 30a,
die Druck-Stellventile 31, 32, das Wasserstoffdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 29b,
das Luftdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 30b, das Anoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 35, das
Kathoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 36,
das Kühlmitteldurchgang-Wechselventil 39, ein
Anoden-Kondensabfluss-Ventil 40,
ein Kathoden-Kondensabfluss-Ventil 41,
das Spülgas-Zuführungsventil 4,
das Absperrventil 7, das Spülgas-Entlastungsventil 14b,
das Abflussventil 42, das Wasserdruck-Stellventil 20,
ein Gas-Entlastungsventil 6, die Wasserpumpe 8,
die Kühlmittelpumpe 16,
der Kompressor 2 und die Brennkammer 9 sind an
der Steuerungs-/Regelungseinheit 48, wie durch die strichpunktierte
Linie in 1 gezeigt, elektrisch angeschlossen
und arbeiten entsprechend den Befehlsignalen aus der Steuerungs-/Regelungseinheit 48.
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Als
Nächstes
wird ein Wasser-Managementverfahren, das während einem Abschalten des Brennstoffzellensystems
angewendet wird, unter Verwendung des in 2 gezeigten
Ablaufdiagramms beschrieben.
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Wie
in 3 gezeigt, sind die Ventile 4, 6, 7, 14b, 20, 42 zu
Beginn eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems normalerweise
geschlossen. Folglich sammelt sich Wasser im Wasser-Durchgang 11 zwischen
der Wasser-Ansaug-Öffnung 46 des
Wassertanks 5 und dem Wasserdruck-Stellventil 20 im
Spülluft-Rohr 3 zwischen
dem konvexen Rohr 12 und dem Spülluft-Entlastungsventil 4 und in
dem Spülluft-Entlastungsrohr 14a zwischen
dem Spülluft-Rohr 3 und
dem Spülluft-Entlastungsventil 14b an.
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Im
Anschluss an den Start des Abschalt-Vorgangs des Brennstoffzellensystems
führt die
Steuerungs-/Regelungseinheit 48 in
diesem Zustand die nachfolgende Steuerungs-/Regelungsroutine, wie
in 2 gezeigt, durch.
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Die
Steuerungs-/Regelungseinheit 48 erfasst, dass ein Bediener
einen Ein-/Aus-Schalter 65 auf AUS geschaltet hat und nach
dieser Erfassung wird die in 2 gezeigte
Steuerungs-/Regelungsroutine, z. B. mittels einer Abschalt-Ablaufsteuerung, gestartet.
Der Ein-/Aus-Schalter 65 ist
elektrisch an die Steuerungs-/Regelungseinheit 48 angeschlossen.
Falls der Bediener das Brennstoffzellensystem während einem langen Zeitraum
nicht verwenden will, kann er/sie das Brennstoffzellensystem durch Umschalten
des Ein-/Aus-Schalters 65 auf
AUS abstellen. Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug
eingebaut ist, kann der Ein-/Aus-Schalter 65 ein Schlüsselschalter
sein.
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Die
Steuerungs-/Regelungseinheit 48 wird durch einen Mikroprozessor
gebildet, der eine Central Processing Unit (CPU), ein Read Only
Memory (einen Festwertspeicher) (ROM) zur Speicherung von Programmen
und dergleichen, ein Random Access Memory (bzw. einen Arbeitsspeicher)
(RAM) zur temporären
Speicherung von Daten und dergleichen, die als Ergebnis von CPU-Rechenvorgängen erhalten
werden, und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle
aufweist. Die Steuerungs-/Regelungseinheit
kann aus einer Mehrzahl von Mikroprozessoren gebildet sein. Die
Steuerungs-/Regelungsroutine
ist im ROM als Programm gespeichert.
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In
einem Schritt S1 wird festgestellt, ob eine Möglichkeit gegeben ist, dass
Wasser im Innern des Befeuchtungssystems vorliegt, oder nicht. Dies
wird aus der Temperatur des im Wasser-Durchgangs 11 angesammelten
Wassers festgestellt, die durch eine Frost-Erfassungsvorrichtung, die im Wasser-Durchgang 11 angeordnet
ist, oder mit anderen Worten durch den Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21 gemessen
wird. Wenn die gemessene Temperatur höher als eine vorgegebene Temperatur,
bei der eine Möglichkeit
des Einfrierens besteht, z. B. 0°C,
ist, wird festgestellt, dass das Wasser im Wasser-Durchgang 11 nicht
gefroren ist und nach dem Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer kehrt
die Routine zum Schritt S1 zurück.
Wenn andererseits die gemessene Temperatur gleich oder niedriger
als die vorgegebene Temperatur ist, besteht eine Möglichkeit
des Einfrierens und daher rückt
die Routine zu einem Schritt S2 vor. Wenn ein Temperatursensor zur
Messung der Außenlufttemperatur
vorgesehen ist, kann die Feststellung, ob das Wasser im Wasser-Durchgang 11 gefroren
ist oder nicht, mittels der Außenlufttemperatur
erfolgen.
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In
den Schritten S2 bis S4 wird eine Steuerung/Regelung durchgeführt, um
das Kondenswasser im Anoden-Durchgang 43 und Kathoden-Durchgang 44 zu
sammeln. Durch diese Steuerung/Regelung werden die Blockierungen
des Anoden-Durchgangs 43 und
Kathoden-Durchgangs 44 aufgrund von gefrorenem Wasser verhindert.
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Im
Schritt S2 werden das Anoden-Konsenswasser-Rückgewinnungsventil 35 und
das Anoden-Kondensabfluss-Ventil 40 geöffnet. Im
Schritt S3 werden das Kathoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 36 und
das Kathoden-Kondensabfluss-Ventil 41 geöffnet. Im
Schritt S4 erfolgt eine Feststellung, ob eine erste vorgegebene
Zeitdauer, die dem Öffnen
aller dieser Ventile 35, 36, 40, 41 folgt,
abgelaufen ist, oder nicht. Wenn die erste vorgegebene Zeitdauer
nicht abgelaufen ist, kehrt die Routine zum Schritt S4 zurück, um die
Ventile 35, 36, 40, 41 in einem
offenen Zustand zu halten, bis die erste vorgegebene Zeitdauer abgelaufen
ist. Wenn die erste vorgegebene Zeitdauer einmal abgelaufen ist,
rückt die
Routine zu einem Schritt S5 vor. In diesem Fall ist die erste vorgegebene
Zeitdauer im Schritt S4 ein Zeitbetrag, der benötigt wird, um das Kondenswasser
in den Durchgängen 43, 44 abzuführen und
wird im Voraus experimentell ermittelt.
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Als
Nächstes
werden im Schritt S5 das Anoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 35 und das
Anoden-Kondensabfluss-Ventil 40 geschlossen. In
einem Schritt S6 werden das Kathoden-Kondenswasser-Rückgewinnungsventil 36 und
das Kathoden-Kondensabfluss-Ventil 41 geschlossen,
wodurch die Steuerung-/Regelung zur Beseitigung des Wassers im Innern
des Anoden-Durchgangs 43 und
des Kathoden-Durchgangs 44 abgeschlossen wird.
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Als
Nächstes
wird in den Schritten S7 bis S12 eine Steuerung/Regelung durchgeführt, um
das angesammelte Wasser im Wasser-Durchgang 11, wie in 4 gezeigt,
zurückzugewinnen.
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Im
Schritt S7 wird das Spülluft-Zuführungsventil 4,
das am Spülluft-Rohr 3 angeordnet
ist, geöffnet.
Im Schritt S8 wird das Wasserdruck-Stellventil 20, das
am Wasser-Durchgang 11 angeordnet
ist, geöffnet.
Im Schritt S9 wird das Absperrventil 7 zum Blockieren des
Wasser-Durchgangs 11 geöffnet. Im Schritt
S10 wird das Gas-Entlastungsventil 6 zur
Entlastung des Drucks im Innern des Wassertanks 5 geöffnet. Das
Gas-Entlastungsventil 6 ist geeignet, Spülgas freizugeben,
das den Wassertank 5 durch den Wasser-Durchgang 11 erreicht
hat. Als Nächstes wird
im Schritt S11 der Kompressor 2 gestartet, um Spülgas zu
zuführen.
Im Schritt S12 wird festgestellt, ob eine zweite vorgegebene Zeitdauer
nach dem Starten des Kompressors 2 abgelaufen ist oder
nicht. Der Kompressor 2 wird mit den Ventilen 4, 20, 7 betätigt, die
offen bleiben, solange die zweite vorgegebene Zeitdauer abläuft und
wenn die zweite vorgegebene Zeitdauer dann verstrichen ist, rückt die
Routine zu einem Schritt S13 vor. In diesem Fall ist die zweite vorgegebene
Zeitdauer im Schritt S12 ein Zeitbetrag, der benötigt wird, um das Wasser im
Wasser-Durchgang 11 unter Verwendung von Luft abzuführen, sodass
das Wasser im Wassertank 5 gesammelt wird und wird im Voraus
durch ein Experiment oder dergleichen ermittelt.
-
Folglich
wird Wasser durch Zuführung
von Spülluft
vom Kompressor 2 zum Wasser-Durchgang 11 durch
das Spülluft-Zuführungsventil 4 gesammelt. Wenn
die zugeführte
Spülluft
vom Spülluft-Rohr 3 zum
konvexen Rohr 12 zugeführt
wird, teilt sich die Spülluft
zur Absperrventil- 7 Seite und der Wasserpumpen- 8 Seite
auf. Die Luft, die zur Absperrventil- 7 Seite separiert
wird, wird im Wassertank 5 vom Wasser-Ansaug-Abfluss 46 des
Wassertanks 5 gesammelt, indem das Wasser in das konvexe
Rohr 12 gedrückt
wird. Mittlerweile wird die Luft, die zur Wasserpumpen- 8 Seite
separiert wurde, von der Wasser-Rückgewinnungsöffnung 56 im
oberen Bereich des Wassertanks 5 gesammelt, indem das Wasser
in das Rohr des Wasser-Durchgangs 11 durch das Wasserdruck-Stellventil 20 gedrückt wird.
Durch Öffnen
des Gas-Entlastungsventils 6 zu
diesem Zeitpunkt wird der Innenraum des Wassertanks 5 zur
Außenluftseite
geöffnet
und somit kann Wasser im Wassertank 5 schnell gesammelt
werden.
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Als
Nächstes
wird in den Schritten S13 bis S15 Wasser im Innern des Wasser-Durchgangs 11, das
nicht gesammelt werden konnte, wie in 5 gezeigt,
abgeführt.
-
In
einem Schritt S13 wird das Wasserdruck-Stellventil 20 geschlossen,
um den Wasser-Durchgang 11 zu blockieren. In einem Schritt
S14 wird das Abflussventil 42 geöffnet, um Wasser vom Wasser-Durchgang 11 abzuführen. In
einem Schritt S15 wird festgestellt, ob eine dritte vorgegebene
Zeitdauer, die dem Öffnen
des Ablassventils 42 folgt, abgelaufen ist oder nicht.
Die Ventile 4, 7, 42 werden in einem
geöffneten
Zustand gehalten, solange die vorgegebene Zeitdauer abläuft und
wenn festgestellt ist, dass die dritte vorgegebene Zeitdauer verstrichen
ist, rückt
die Routine zu einem Schritt S16 vor. In diesem Fall ist die dritte
vorgegebene Zeitdauer im Schritt S15 der Zeitbetrag, der vom Wasser
im Innern des Wasser-Durchgangs 11 benötigt wird, um vollständig vom
Abflussventil 42 abgeführt
zu werden, und wird im Voraus durch ein Experiment, oder dergleichen
ermittelt.
-
Indem
also im Schritt S13 und S14 das Wasserdruck-Stellventil 20 geschlossen
und das Abflussventil 42 geöffnet werden, wird das Wasser,
das noch zwischen dem gegabelten Bereich 49 und dem Abflussventil 42 oder
im Innern des Wasser-Durchgangs 11 übrig bleibt, aus dem Brennstoffzellensystem
abgelassen und dadurch Blockierungen des Wasser-Durchgangs 11 aufgrund
von gefrierendem Wasser verhindert.
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Als
Nächstes
wird in den Schritten S16 bis S18 die Steuerung/Regelung zur Beseitigung
von Wasser aus dem Wasser-Durchgang 11 beendet.
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In
einem Schritt S16 wird das Absperrventil 7 zum Blockieren
des Wasser-Durchgangs 11 geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt
ist eine vorgegebene Zeitdauer, die die Summe der zweiten und dritten
vorgegebenen Zeitdauer ist, die dem Start der Zuführung von
Spülgas
folgt, abgelaufen. Als Nächstes wird
in einem Schritt S17 der Kompressor 2 abgeschaltet und
das Spülluft-Zuführungsventil 4 geschlossen.
In einem Schritt S18 wird das Abflussventil 42 geschlossen
und somit endet die Steuerung/Regelung zur Verhinderung eines Einfrierens.
Nachdem das Abflussventil 42 geschlossen wurde, werden
die Hilfseinrichtungen, die die Pumpen, den Kompressor, die Ventile,
usw. umfassen, ausgeschaltet.
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Die
Wasserverteilung zu diesem Zeitpunkt ist in 6 gezeigt.
Zum Zeitpunkt des Schließens
des Absperrventils 7 wird die Spülluft bis zum Wasser-Ansaug-Abfluss 46 zugeführt. Wenn
daher das Absperrventil 7 geschlossen wird, wird eine Schicht von
Spülluft
zwischen dem Wasser-Ansaug-Abfluss 46 und dem Absperrventil 7 ausgebildet.
Zu diesem Zeitpunkt wird ein Druck auf die Luftschicht entsprechend
dem Wasserstand im Innern des Wassertanks 5 aufgebracht,
woraus resultiert, dass Wasser im Innern des Wassertanks 5 vom
Wassertank 5 zum Wasser-Durchgang 11 zurückkehrt.
Jedoch fließt Wasser
nur bis zu der Position in den Wasser-Durchgang 11, bei
der Ph = Pa ist, wobei Ph ein Spitzendruck ist, die auf der Wasseroberfläche 63 im
Wasser-Durchgang 11 anliegt und die durch die Differenz zwischen
dem Wasserstand des Wassertanks 5 und der Höhe des konvexen
Rohrs 12 bestimmt wird und Pa der Druck der hermetisch
eingeschlossenen, komprimierten Spülluft zwischen der Wasseroberfläche 63 und
dem Absperrventil 7 im Wasser-Durchgang 11 ist. Daher kann
durch Festlegen der Form und Kapazität des Wassertanks 5 und
der Höhe
des konvexen Rohrs 12 das Wasser in einer vom Absperrventil 7 entfernten
Position gehalten werden. Somit kann das Gefrieren des Wassers um
das Absperrventil 7 und die Wasserpumpe 8 herum
vermieden werden. Es ist bevorzugt, dass die Wasseroberfläche 63 des
Wassers, das vom Wassertank 5 zum Wasser-Durchgang 11 zurückkehrt,
nachdem das Absperrventil 7 den Wasser-Durchgang 11 blockiert, niedriger
als der Scheitelbereich 12a eingestellt wird.
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Als
Nächstes
wird ein Steuerungs-/Regelungsverfahren, das eingesetzt wird, wenn
das Brennstoffzellensystem angefahren wird und das der Ablaufsteuerung
des Gefrierschutzes folgt, die während
einem Abschalten, wie oben beschrieben, durchgeführt wird, unter Verwendung
des in 7 gezeigten Ablaufdiagramms beschrieben.
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Die
Steuerung-/Regelungseinheit 48 erkennt, dass der Bediener
den Ein-/Aus-Schalter 65 auf AN geschaltet hat und nach
dieser Erkennung wird die Steuerung-/Regelungsroutine von 7,
z. B. mittels einer Unterbrechung der Ablaufsteuerung gestartet.
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In
einem Schritt S21 wird festgestellt, ob die Temperatur des Brennstoffzellensystems
geringer als eine zweite vorgegebene Temperatur, z. B. ein Gefrierpunkt
von 0°C
ist, oder nicht. Falls die Temperatur des Brennstoffzellensystems
höher als
die zweite vorgegebene Temperatur ist, wird festgestellt, dass das
Wasser nicht gefroren ist und die Routine rückt zu einem Schritt S22 vor,
um ein Anfahren des Brennstoffzellensystems entsprechend einem regulären Anfahrvorgang
durchzuführen.
Wenn andererseits die Temperatur des Brennstoffzellensystems gleich
oder niedriger als die zweite vorgegebene Temperatur ist, rückt die
Routine zu einem Schritt S23 vor. Auch im Schritt S23 werden die
Hilfseinrichtungen, die die Ventile, den Kompressor, die Pumpen,
usw. umfassen, angeschaltet.
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In
einem Schritt S23 wird das Luftdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 30b geöffnet und in
einem Schritt S24 wird der Kompressor 2 betätigt, sodass
die Zuführung
von Luft zur Brennkammer 9 begonnen wird. In einem Schritt
S25 wird das Wasserstoffdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 29b geöffnet, sodass
die Zuführung
von Wasserstoff zur Brennkammer 9 begonnen wird.
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Als
Nächstes
hat in einem Schritt S26 eine Verbrennung in der Brennkammer 9 unter
Verwendung der zugeführten
Luft und des Wasserstoffs begonnen. Zu diesem Zeitpunkt werden Luft
und Wasserstoff der Brennkammer 9 in einem Mischungsverhältnis zugeführt, bei
dem die Verbrennungstemperatur gleich oder geringer als die Hitzebeständigkeitstemperatur
der Brennkammer 9 und des Wärmetauschers 10 ist.
Unterhalb der Hitzebeständigkeitstemperatur
können
die Brennkammer 9 und der Wärmetauscher 10 ohne
Beschädigung
oder Störung
arbeiten. Danach wird in einem Schritt S27 die Kühlmittel-Pumpe 16,
die als Antriebsquelle zur Rückzirkulation
des Kühlmittels
durch das Kühlmittelsystem dient,
betätigt.
Demzufolge wird das Kühlmittel,
das durch den Wärmetauscher 10 fließt und verwendet wird,
um die Brennstoffzelle 17 zu kühlen, durch in der Brennkammer 9 erzeugtes
Verbrennungsgas erhitzt.
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18 zeigt, wie das Befeuchtungssystem durch
erhitztes Kühlmittel
erwärmt
wird. Das erhitzte Kühlmittel
passiert den Kühlmittel-Durchlass 15,
um den Wassertank 5 und widerum die Brennstoffzelle 17 zu
erhitzen. Hierbei sind der Teil des Wasser-Durchgangs 11,
in den Wasser vom Wasser-Ansaug-Abfluss 46 zurückkehrt
und der Kühlmittel-Durchlass 15 in
einem ausreichend kurzen Abstand und im Wesentlichen parallel zueinander
angeordnet, damit eine Wärmeübertragung
stattfinden kann. Dabei kann das gefrorene Wasser (Eis), das sich
im Wasser-Durchgang 11 durch den Druck im Innern des Wassertanks 5 angesammelt
hat, durch das erhitzte Kühlmittel
aufgetaut werden. In 8 sind der Wasser-Durchgang 11 und
der Kühlmittel-Durchlass 15 nebeneinander
von der Umgebung des Wasser-Ansaug-Abflusses 46 bis zum gegabelten
Punkt 49 angeordnet.
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Sobald
das Auftauen des Wassers in der Brennstoffzelle 17, dem Wassertank 5 und
des Wassers in der Umgebung des Wasser-Ansaug-Abflusses 46 auf
diese Weise begonnen hat, rückt
die Routine zu einem Schritt S28 vor, wobei eine Überwachung
der Verbrennungsgas-Temperatur begonnen hat. Hierbei wird die Temperatur
durch den Brennkammer-Temperatursensor 23,
den Wärmetauscher-Temperatursensor 24 und
den Verbrennungsgas-Temperatursensor 25 gemessen. In einem Schritt
S29 erfolgt eine Ermittlung, ob irgendwelche Temperatur-Unregelmäßigkeiten,
wie z. B. ein übermäßiger Anstieg
bei der Verbrennungsgas-Temperatur,
der Brennkammer-Temperatur oder der Wärmetauscher-Temperatur bestehen.
Falls eine Temperatur-Unregelmäßigkeit
besteht, rückt
die Routine zu einem Schritt S30 vor, wo die Durchflussmengen des der
Brennkammer 9 zugeführten
Gases und des Kühlmittels
eingestellt werden. Die Durchflussmengen-Einstellung wird in den
Schritten S29 und S30 ausgeführt,
bis ermittelt ist, dass der Erwärmungsvorgang
ohne die Temperatur-Unregelmäßigkeiten normal
ist, und wenn ermittelt wurde, dass der Erwärmungsvorgang normal ist, rückt die
Routine zu einem Schritt S31 vor.
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Im
Schritt S31 wird entsprechend den gemessenen Temperaturen des Wasser-Durchgang-Temperatursensors 21 und
Wassertank-Temperatursensors 22 ermittelt, ob das Wasser
im Wasser-Durchgang 11 und Wassertank 5 gefroren
ist oder nicht. Hierbei wird eine Ermittlung durchgeführt, ob
die Temperatur des Wassers im Wasser-Durchgang 11 und im Wassertank 5 höher als
eine Tau-Temperatur
von ca. 0°C
ist, oder nicht. Der Erwärmungsvorgang
wird fortgesetzt, bis das Wasser im Wasser-Durchgang 11 und
Wassertank 5 auftaut. Wenn ermittelt wurde, dass das Wasser
im Wasser-Durchgang 11 und Wassertank 5 aufgetaut
ist, rückt
die Routine zu einem Schritt S32 vor.
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Ab
dem Schritt S32 wird eine Steuerung/Regelung, wie z. B. die in 9 gezeigte,
durchgeführt, um
die Spülluft
abzuführen.
Im Schritt S32 wird das Absperrventil 7 geöffnet. In
einem Schritt S33 wird das Spülluft-Entlastungsventil 14b geöffnet. Das Spülluft-Entlastungsventil 14b befindet
sich sogar nach dem Öffnen
des Absperrventils 7 und des Spülluft-Entlastungsventils 14b in einer
tieferen Position als ein augenblicklicher Wasserstand 67.
Dadurch kann die im Spülluft-Rohr 3 und
Spülluft-Entlastungsrohr 14a aufgestaute
Spülluft
vom Spülluft-Entlastungsventil 14b durch
Wasser herausgedrückt
werden. Der augenblickliche Wasserstand 67 im Wassertank 5 wird
vom Pegel des angesammelten Wassers, bevor das Absperrventil 7 und
das Spülluft-Entlastungsventil 14b geöffnet werden,
im Wesentlichen um das Wasservolumen im Wasser-Durchgang 11 zwischen
dem Wasser-Ansaug-Abflusses 46 und dem Spülluft-Entlastungsventil 14b reduziert.
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In
einem Schritt S34 wird ermittelt, ob die vom Spülluft-Entlastungsrohr-Temperatursensor 26 gemessene
Temperatur im Wesentlichen gleich der vom Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21 gemessene
Temperatur ist, oder nicht. Mit anderen Worten wird ermittelt, ob
die Temperatur des Wassers im Wasser-Durchgang 11 durch
den Spülluft-Entlastungsrohr-Temperatursensor 26 erfasst wurde
oder nicht. Falls eine Differenz zwischen der vom Spülluft-Entlastungsrohr-Temperatursensor 26 gemessenen
Temperatur und der vom Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21 gemessenen Temperatur
besteht, dann wurde die Spülluft
nicht vollständig
abgeführt,
und daher wird der Spülluft-Abführungsvorgang
fortgesetzt. Wenn es im Schritt S34 im Wesentlichen keinen Unterschied
zwischen den zwei gemessenen Temperaturen gibt, wird ermittelt, dass
der Spülluft-Ausstoß abgeschlossen
ist, nachdem Wasser bis zum Spülluft-Entlastungsrohr-Temperatursensor 26 gelangt
ist und die Routine rückt
zu einem Schritt S35 vor.
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Als
Nächstes
wird eine Steuerung/Regelung durchgeführt, um von einem Anlaufbetrieb
der Brennstoffzelle zu deren Normalbetrieb umzuschalten.
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In
einem Schritt S35 wird das Spülluft-Entlastungsventil 14b geschlossen.
In einem Schritt S36 wird die Öffnung
des Wasserdruck-Stellventils 20 so eingestellt, dass der
Wasser-Durchgang 11 geöffnet wird.
In einem Schritt S37 wird die Wasserpumpe 8 betätigt und
das Wasser im Wassertank 5 beginnt, durch den Wasser-Durchgang 11 (wieder)
rückzirkuliert
zu werden. Daher wird, wie in 10 gezeigt, das
im Wassertank 5 angesammelte Wasser den Einspritzdüsen 27, 28 zugeführt.
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In
einem Schritt S38 wird das Wasserstoffdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 29b geschlossen
und das Wasserstoff-Steuerungs-/Regelungsventil 29a geöffnet und
folglich wird Wasserstoffgas der Anode 17a der Brennstoffzelle 17 zugeführt. In
einem Schritt S39 wird die Luftdurchfluss-Steuerungs-/Regelungsventil 30b geschlossen und
das Luft-Steuerungs-/Regelungsventil 30a geöffnet, wodurch
Luft der Kathode 17b der Brennstoffzelle 17 zugeführt wird.
In einem Schritt S40 hat eine Befeuchtung des Wasserstoffgases und
der Luft, die der Brennstoffzelle 17 von den Einspritzdüsen 27,28 zugeführt wurden,
begonnen. Dadurch hat die Erzeugung von elektrischer Energie in
der Brennstoffzelle 17 begonnen und folglich wird in einem
Schritt S41 elektrische Energie aus der Brennstoffzelle 17 entnommen.
In einem Schritt S42 werden die Durchflussmengen von Wasserstoff,
Sauerstoff und Wasser, die der Brennstoffzelle 17 zugeführt wurden,
entsprechend dieser elektrischen Energie eingestellt. Von nun an
endet der Anlaufvorgang und ein Normalbetrieb beginnt.
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Die
Effekte des auf die oben beschriebene Weise errichteten und gesteuerten/geregelten Brennstoffzellensystems
sind wie folgt.
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Das
Brennstoffzellensystem weist das Spülluft-Versorgungsventil 4 zur Zuführung von
Spülluft zum
Wasser-Durchgang 11, die Wasserpumpe 8, die als
Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung
dient und das Absperrventil 7 auf, um Wasser daran zu hindern,
zumindest in die Wasserpumpe 8 im Wasser-Durchgang 11 zu
fließen.
Wenn Das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, wird Spülluft in
einem weiteren Bereich als dem Blockierungsbereich durch das Absperrventil 7 zugeführt, wobei
der Wasser-Durchgang 11 durch das Absperrventil 7 blockiert ist.
Folglich wird eine Luftschicht zwischen dem Wasser und dem Absperrventil 7 ausgebildet,
sodass Wasser daran gehindert werden kann, um die Wasserpumpe 8 und
das Absperrventil 7 herum zu gefrieren. Dadurch kann eine
durch ein Einfrieren verursachte Verschlechterung bei der Leistung
der Wasserpumpe 8, die als Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung
dient, und des Absperrventils 7 verhindert werden.
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Insbesondere
dichtet eine Dichtungsvorrichtung, die das Absperrventil 7,
Druck-Stellventil 20, Abflussventil 42, Spülluft-Entlastungsventil 14b und das
Spülluft-Zuführungsventil 4 aufweist,
die Spülluft im
Innern des Wasser-Durchgangs 11 ab. Daher weist das Brennstoffzellensystem
eine Abdichtungsvorrichtung auf, um zwischen einem hermetisch abgeschlossenen
Zustand, in einem Bereich, der zumindest die Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung (Wasserpumpe 8)
umfasst, und einen nicht-hermetisch abgeschlossenen Zustand des
Wasser-Durchgangs 11 umzuschalten, und daher kann eine
Leistungsverschlechterung aufgrund des Gefrierens der Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung
verhindert werden. Eine Verschlechterung in der Leistung der Abdichtungsvorrichtungs-Ventils
(in dieser Ausführungsform
das Absperrventil 7) aufgrund des Gefrierens wird ebenfalls
durch Ausbildung eine Luftschicht zwischen dem Abdichtungsvorrichtungs-Ventil
und dem Wasser, das zum Wassertank 5 gespült wird, unterdrückt.
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Das
Brennstoffzellensystem weist ferner eine Frost-Erfassungsvorrichtung, in diesem Fall
den Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21,
auf, um die Möglichkeit
des Gefrierens von Wasser zu ermitteln, und Spülluft wird dem Wasser-Durchgang 11 nur zugeführt, wenn
die Steuerungs-/Regelungseinheit 48 die Möglichkeit
des Gefrierens von Wasser ermittelt. Demzufolge können Energie
und Wasserverbrauch reduziert werden.
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Solange
der Wasser-Ansaug-Abfluss 46 zum Einführen von Wasser in den Wasser-Durchgang
11 vom Wassertank 5 im unteren Bereich des Wassertanks 5 ausgebildet
ist und die Wasserpumpe 8 oberhalb des Wasser-Ansaug-Abflusses 46 angeordnet ist,
kann darüber
hinaus die Luftschicht zwischen dem Absperrventil 7 und
dem Wasser zuverlässig ausgebildet
werden.
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Da
die Wasserpumpe 8 am Scheitelbereich 12a des konvexen
Rohrs 12 angeordnet ist und der Wasser-Ansaug-Abfluss 46 an
einem Ende des Bodenbereichs 12b ausgebildet ist, kann
außerdem
zumindest der Scheitelbereich 12a als der Bereich eingerichtet
werden, in dem ein Wasser-Zustrom vom Absperrventil 7 blockiert
wird. Demzufolge kann die Luftschicht zuverlässig zwischen dem Absperrventil 7 und
dem Wasser ausgebildet werden, sodass ein Verschleiß des Absperrventils 7 aufgrund
eines Einfrierens zuverlässig
verhindert werden kann.
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Durch
Verbinden des Spülluft-Rohrs 3 mit dem
Scheitelbereich 12a wird Spülluft vom oberen Scheitelbereich 12a dem
unteren Bodenbereich 12b zugeführt. Daher kann eine Wasserbeseitigung
effizient durchgeführt
werden.
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Während einem
Anfahren des Brennstoffzellensystems wird festgestellt, ob die Temperatur
in der Umgebung des Spülluft-Entlastungsventils 14b und die
Wassertemperatur im Bodenbereich 12b auf der Seite des
Wassertanks 5 im Wesentlichen gleich sind oder nicht. Daher
kann die Beendigung des Spülluft-Ausstoßes einfach
ermittelt werden.
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Das
Brennstoffzellensystem weist auch die Brennkammer 9 und
den Wärmetauscher 10 auf,
um das Kühlmittel
im Innern des Kühlmittel-Durchlasses 15 zu
erhitzen und zumindest ein Teil des Wasser-Durchgangs 11 und
ein Teil des Kühlmittel-Durchlasses 15 sind
nebeneinander angeordnet. Daher kann während eines Startvorgangs,
wenn das Wasser im Innern des Systems gefroren ist, zumindest ein
Teil des Wasser-Durchgangs 11 erwärmt werden. Demzufolge kann
das Wasser, das durch den Wasser-Durchgang 11 fließt, daran
gehindert werden, während
dem Startvorgang wieder zu gefrieren. Da insbesondere ein Teil des
Wasser-Durchgangs 11, in den Wasser vom Wassertank 5 zurückkehrt,
nachdem das Absperrventil geschlossen wurde, und der Kühlmittel-Durchlass 15 nebeneinander angeordnet
sind, kann das Wasser, das in den Wasser-Durchgang 11 fließt, leicht
aufgetaut werden.
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Durch
Anordnung eines Teils des Kühlmittel-Durchlasses
15 im Innern des Wassertanks 5 und Einstellen der Kühlmittel-Temperatur
während
dem Anlaufvorgang des Brennstoffzellensystems kann ferner das gefrorene
Wasser im Innern des Wassertanks 5 aufgetaut werden.
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Ein
Teil des Wasser-Durchgangs 11 wird durch das konvexe Rohr 12 gebildet,
die Wasserpumpe 8, die als Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung dient,
ist am Scheitelbereich 12a des konvexen Rohrs 12 angeordnet
und die Zuführungsöffnung 3a zur
Zuführung
von Spülluft
in den Wasser-Durchgang 11 ist am Scheitelbereich 12a ausgebildet.
Demzufolge kann das Wasser in dem Teil, in dem die Wasser-Rückzirkulationsvorrichtung
angeordnet ist, effektiv beseitigt werden.
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Mit
Bezug auf 11 wird eine zweite Ausführungsform
beschrieben. 11 zeigt die Konfiguration eines
Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten
Ausführungsform. 11 veranschaulicht einen
abgedichteten Gaszustand, bei dem das Wasser im innern des Wasser-Durchgangs 11 ausgestoßen wird,
wenn eine Möglichkeit
des Einfrierens nach einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems besteht.
-
Die
zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der
Bodenbereich 12c und der senkrechte Bereich 12e des
Wasser-Durchgangs 11, die zwischen der Wasserpumpe 8 und
dem gegabelten Bereich 49 in 3 positioniert
sind, entfernt wurden, sodass der Scheitelbereich 12a sich
entlang der entgegengesetzten Seite des Wassertanks 5 erstreckt
und mit dem gegabelten Bereich 49 verbunden ist. Ansonsten
ist der Aufbau zur ersten Ausführungsform
identisch.
-
Der
Wasser-Durchgang 11 ist in einem Rohr-Aufbau eingerichtet,
der ein ansteigendes Gefälle
vom Wasser-Ansaug-Abfluss 46 zum
gegabelten Bereich 49 hat. Daher ist der Wasser-Ansaug-Abfluss 46 am
tiefsten Punkt positioniert und das Absperrventil 7, die
Wasserpumpe 8 und ein Gabelungspunkt 49 sind an
einer höheren
Stelle als der Wasser-Ansaug-Abfluss 46 positioniert. Hierbei
sind das Absperrventil 7, die Wasserpumpe 8 und
der Gabelungspunkt 49 im Wesentlichen auf gleicher Höhe ausgebildet.
-
Daher
ist der Aufbau des Wasser-Durchgangs 11 einfacher als in
der ersten Ausführungsform und
demzufolge kann ein Wasserdruckverlust reduziert und ein Energieverbrauch
der Wasserpumpe 8 reduziert werden.
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Nun
wird mit Bezug auf 12 eine dritte Ausführungsform
beschrieben. 12 zeigt einen Aufbau eines
in der dritten Ausführungsform
verwendeten Brennstoffzellensystems. 12 veranschaulicht
einen abgedichteten Gaszustand, bei dem das Wasser im Innern des
Wasser-Durchgangs 11 ausgestoßen wird, wenn eine Möglichkeit
des Gefrierens nach einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems
besteht.
-
In
dieser Ausführungsform
ist der Kühlmittel-Durchgang 15 über eine
längere
Distanz längs dem
Wasser-Durchgang 11 angeordnet, als in der zweiten Ausführungsform.
Zuerst wird der Kühlmittel-Durchlass 15 vom
Wasser-Ansaug-Abfluss 49 zu den
Einspritzdüsen 27, 28 längs dem
Wasser-Durchgang 11 angeordnet. Danach wird der Kühlmittel-Durchlass 15,
der sich von der Brennstoffzelle 17 erstreckt, längs dem
Wasser-Durchgang 11, der sich von den Einspritzdüsen 27, 28 zum
Wassertank 5 erstreckt, angeordnet. Der Kühlmittel-Durchlass 15,
der längs
dem Wasser-Durchgang 11 bis zur Umgebung des Wassertanks 5 angeordnet
ist, ist an den Wärmetauscher 10 angeschlossen
und daher erhitzt der Wärmetauscher 10 während einem
Anlaufvorgang des Brennstoffzellensystems das Kühlmittel, das durch den Kühlmittel-Durchlass 15 fließt. Ferner
führt der
Kühlmittel-Durchlass 15,
der sich vom Wärmetauscher 10 erstreckt,
durch den Innenbereich des Wassertanks 5, sodass das Wasser
im Innern des Wassertanks 5 vom erhitzten Kühlmittel
erwärmt wird.
-
Durch
eine derartige Anordnung des Kühlmittel-Durchlasses 15 im
Wesentlichen längs
des gesamten Wasser-Durchgangs 11 wird der Wasser-Durchgang 11 durch
das Kühlmittel
erwärmt,
das vom Wärmetauscher 10 erhitzt
wird. Demgemäß kann die
Temperatur des Wasser-Durchgangs 11 angehoben werden, selbst
wenn die Temperatur des Wasser-Durchgangs 11 nach einem
Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems abgefallen ist und das
erneute Einfrieren des Wassers, das vom Wassertank 5 zurück in den
Wasser-Durchgang 11 geflossen ist, nachdem das Absperrventil 7 geschlossen
wurde, zuverlässig
unterdrückt
werden.
-
Mit
Bezug auf 13 wird nun eine vierte Ausführungsform
beschrieben. 13 zeigt den Aufbau eines in
der vierten Ausführungsform
verwendeten Brennstoffzellensystems. 13 veranschaulicht einen
abgedichteten Gaszustand, bei dem das Wasser im Innern des Wasser-Durchgangs 11 ausgestoßen wird,
wenn nach einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems eine
Möglichkeit
des Einfrierens besteht.
-
Die
vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass der
Bodenbereich 12b des Wasser-Durchgangs 11 zwischen
dem Wassertank 5 und dem Absperrventil 7 in 3 entfernt
wurde und der stromaufwärtsseitige
senkrechte Bereich 12d ist im Innenbereich des Wassertanks 5 ausgebildet.
Der stromaufwärtsseitige
senkrechte Bereich 12d des Wasser-Durchgangs 11 wird durch ein
Rohr 46b gebildet, das sich innerhalb des Wassertanks 5 vom
Wasser-Ansaug-Abfluss 46 nach oben erstreckt. Das Absperrventil 7 und die
Wasserpumpe 8 sind am Scheitelbereich 12a angeordnet.
Hierbei sind der Auslass-Teil des Wasser-Durchgangs 11 vom
Wassertank 5, das Absperrventil 7 und die Wasserpumpe 8 im
Wesentlichen auf gleicher Höhe
angeordnet.
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Eine
vom Wassertank-Temperatursensor 22 gemessene Temperatur
wird zu diesem Zeitpunkt in den Ablaufdiagrammen in 2 und 7 anstelle einer
vom Wasser-Durchgang-Temperatursensor 21 gemessenen Temperatur
verwendet.
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Auf
diese Weise ist der Wasser-Ansaug-Abfluss 46 im Innenbereich
des Wassertanks 5 ausgebildet und ein Teil des Wasser-Durchgangs 11 wird durch
das Rohr 46b gebildet, das sich vom Wasser-Ansaug-Abfluss 46 im
Innern des Wassertanks 5 nach oben erstreckt. Daher kann
der Aufbau des Wasser-Durchgangs 11 vereinfacht werden.
Folglich kann ein Wasserdruckverlust reduziert und ein Energieverbrauch
durch die Wasserpumpe 8 reduziert werden.
-
Obwohl
die Erfindung zuvor mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese oben beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt.
Modifikationen und Variationen dieser oben beschriebenen Ausführungsformen
werden dem Durchschnittsfachmann angesichts der obigen Lehre einleuchten.
Der Umfang der Erfindung ist mit Bezug auf die anliegenden Ansprüche definiert.