DE102004012477B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Speichern von Wasserstoff - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Speichern von Wasserstoff Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit
einer Brennstoffzelle,
einem Wasserstoffspeichertank, dem Wasserstoff unter einem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird und der ein Wasserstoff absorbierendes Material enthält, das zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist, wobei die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der vorbestimmte Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck wird, höher als eine Temperatur der Brennstoffzelle in einem Stationärbetrieb ist;
einem Kühlmittelkanal, über den ein Kühlmittel zwischen der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffspeichertank zirkuliert; und
einem Wärmeaustauschermodul im Kühlmittelkanal, das das Kühlmittel herunterkühlt, das durch die Brennstoffzelle und/oder den Wasserstoffspeichertank hindurchtritt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 mit einem Wasserstoffspeichertank, der eine Wasserstoffspeicherlegierung enthält, und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 zum Speichern von Wasserstoff für das Brennstoffzellensystem.
  • Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
  • Konfigurationen von Wasserstoffwasserspeichertanks mit Wasserstoffspeicherlegierungen sind herkömmlicher Weise als Mittel zum Speichern und zum Zuführen von Wasserstoff für Brennstoffzellen bekannt. Beispielsweise ist eine Konfiguration, die aus einem Kühlwasserkanal, so dass Kühlwasser durch eine Brennstoffzelle zirkulieren kann, einem Wasserstoffspeichertank und einem Wärmeaustauschermodul besteht, in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-250570 offenbart. Wenn bei einer solchen Konfiguration elektrische Leistung durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, ist es möglich, den Wasserstoffspeichertank mit Kühlwasser zu erwärmen, das eine angehobene Temperatur aufgrund des Wärmeaustausch mit der Brennstoffzelle hat, und die Wärme zum Entnehmen des Wasserstoffs zu verwenden, der in der Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert ist.
  • Wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichermetall absorbiert wird, muss jedoch die Wasserstoffspeicherlegierung heruntergekühlt werden, um den Vorgang der Wasserstoffabsorption zu vereinfachen. Ein zusätzliches Kühlmodul ist somit notwendig, um die Wasserstoffspeicherlegierung zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffabsorption herunterzukühlen.
  • Im Stand der Technik nach US 2004/0013921 A1 ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, bei dem eine Wasserstoffspeicherlegierungstemperatur zwischen zwei vorgegebenen Temperaturen geregelt wird. Diese Regelung wird mit einem Wärmetauscher und einer Steuervorrichtung durchgeführt.
  • Der Stand der Technik nach DE 196 44 846 A1 offenbart ein Wasserstoffbrennstoffzellensystem, bei dem ein Hydridspeicher mit einem Kühlkreis versehen ist, der wiederum an einen Wärmetauscher mit einer thermoelektrischen Wärmepumpe angeschlossen ist.
  • Der Stand der Technik nach DE 102 01 669 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem Wasserstoff von einem Tank zugeführt wird. Der Tank weist eine Wasserstoff speichernde Legierung auf. Die offenbarte Anordnung soll das Austreten von Wasserstoffgas verhindern, indem kein Fluiddurchlass zur Verbindung zwischen Schließventilen und der Brennstoffzelle vorgesehen ist.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das vorstehend beschriebene herkömmliche Problem zu lösen und eine Technik zum Vereinfachen einer Systemkonfiguration bei einem System zu schaffen, die eine Wasserstoffspeicherlegierung verwendet, die zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung heruntergekühlt werden muss und zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffentnahme erwärmt werden muss.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Zum Lösen der vorstehend genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem der Erfindung hat einen Wasserstoffspeichertank, dem Wasserstoff unter einem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird und der ein Wasserstoffabsorptionsmaterial enthält, das zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung umfasst, wobei die Wasserstoffspeicherlegierung eine Temperatur hat, bei der der vorbestimmte Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck wird, die höher als eine Temperatur der Brennstoffzelle in einem stationären Betrieb ist, einen Kühlmittelkanal, in dem ein Kühlmittel zwischen der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffspeichertank zirkuliert, und ein Wärmeaustauschermodul, das das Kühlmittel herunterkühlt, das durch die Brennstoffzelle und/oder den Wasserstoffspeichertank hindurchgetreten ist.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung werden zum Herunterkühlen der Brennstoffzelle das Erwärmen des Wasserstoffspeichertanks zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffentnahme und das Herunterkühlen des Wasserstoffspeichertanks zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung mit dem Kühlmittel ausführbar, das durch den Kühlmittelkanal zirkuliert. Anders gesagt ist es möglich, das Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle ebenso als das Kühlmittel zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung zu verwenden. Es ist somit möglich, die Konfiguration zum Erwärmen und zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung in dem Wasserstoffspeichertank zu vereinfachen.
  • Da außerdem der Wasserstoffspeichertank eine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist, die eine Temperatur hat, bei der der Druck des Wasserstoffs, der zuzuführen ist, ein Gleichgewichtsdruck wird, die höher als diejenige der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb ist, ist es möglich, den Betrieb der Wasserstoffabsorption durchzuführen, unmittelbar nachdem die Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle beendet wird. Anders gesagt ist es auch dann, wenn die Temperatur des Kühlmittels, das zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendet wurde, auf im Wesentlichen die Temperatur der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb angehoben ist, noch möglich, das Kühlmittel mit der angehobenen Temperatur zum Herunterkühlen der Wasserstoffspeicherlegierung zu verwenden und dadurch den Betrieb der Wasserstoffabsorption zu vereinfachen.
  • Der vorbestimmte Druck, unter dem der Wasserstoff dem Wasserstoffspeichertank zugeführt wird, ist gemäß der Art der Wasserstoffspeicherlegierung so eingerichtet, dass die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der vorbestimmte Druck ein Gleichgewichtsdruck wird, geringfügig höher als die der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb sein kann. Der vorbestimmte Druck kann jedoch wünschenswerter Weise höher sein. Beispielsweise kann der Druck des Wasserstoffs, der dem Wasserstoffspeichertank zuzuführen ist, auf ein MPa oder höher, vorzugsweise auf 25 MPa oder höher oder noch weitergehend vorzuziehen auf 35 MPa oder höher eingerichtet werden. Das Zuführen des Wasserstoffs mit einem höheren Druck zu dem Wasserstoffspeichertank, wie vorstehend angegeben, gestattet die Verwendung eines Raums um das Wasserstoffabsorptionsmaterial in dem Wasserstoffspeichertank und somit die Speicherung einer größeren Menge von Hochdruckwasserstoffgas. Des Weiteren kann der Flexibilitätsgrad beim Auswählen der Art der Wasserstoffspeicherlegierung zum Ausführen der vorliegenden Erfindung ebenso erhöht werden.
  • Es ist anzumerken, dass der stationäre Betrieb der Brennstoffzelle einen Zustand darstellt, bei dem die Innentemperatur der Brennstoffzelle im Wesentlichen angehoben ist, nachdem die Brennstoffzelle aktiviert ist und ein Aufwärmvorgang beendet ist. Die Brennstoffzelle in dem Aufwärmvorgang hat eine Charakteristik der Spannung zu dem Strom, die gemeinsam mit dem Anheben der Innentemperatur variiert, was zu einer Verbesserung der Zellenleistungsfähigkeit führt, und wenn die Innentemperatur ein vorbestimmtes Niveau erreicht, hat die Brennstoffzelle eine gewünschte Charakteristik der Spannung zu dem Strom und beginnt, in dem stationären Betrieb zu arbeiten, in dem die elektrische Leistung mit einer vorbestimmten Spannung gemäß der Last der Brennstoffzelle erzeugt wird. Die Innentemperatur der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb ist im Voraus eingerichtet und die Brennstoffzelle wird auf eine Art heruntergekühlt, um die Brennstoffzelle auf einer derartigen Temperatur zu halten. Für den Fall, bei dem die Innentemperatur der Brennstoffzelle bei dem stationären Betrieb als ein vorbestimmter Bereich einer Temperatur definiert ist, stellt der Ausdruck "die Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb ausgestoßen wird" eine Temperatur des Kühlmittels dar, das von der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt ausgestoßen wird, bei dem die Brennstoffzelle die höchste Temperatur in dem Bereich der Temperatur hat.
  • Des Weiteren kann die Temperatur, bei der der vorbestimmte Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck wird, eine Gleichgewichtstemperatur sein, bei der die Wasserstoffabsorption und die Wasserstoffabfuhr von der Wasserstoffspeicherlegierung ein Gleichgewicht mit dem Wasserstoff wird, das gerade mit dem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann der Kühlmittelkanal oder ein Teil des Kühlmittelkanals ebenso vorzugsweise konfiguriert sein, um das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle, den Wasserstoffspeichertank und das Wärmeaustauschermodul in dieser Reihenfolge zu zirkulieren.
  • Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, den Betrieb der Wasserstoffabsorption zur gleichen Zeit wie die Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle durchzuführen. Anders gesagt ist es möglich, das Kühlmittel, das zum Kühlen der Brennstoffzelle bei der Erzeugung der elektrischen Leistung verwendet wird, ebenso zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung zu verwenden und dadurch den Betrieb der Wasserstoffabsorption zu vereinfachen.
  • Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren ein Kühlmitteltemperatureinstellmodul aufweisen, das eine Temperatur des Kühlmittels einstellt, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmeaustauschermodul ausgestoßen wird, eine im Wesentlichen konstante Temperatur und ungeachtet eines Betrags der Erzeugung von elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle und ebenso ungeachtet der Tatsache hat, ob der Wasserstoffspeichertank sich in einem Zustand der Wasserstoffspeicherung oder des Wasserstoffablassens befindet.
  • Bei einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle zu starten, unmittelbar nachdem der Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank gespeichert ist. Da anders gesagt sich die Temperatur des Kühlmittels schon auf dem Niveau der Temperatur der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb zu dem Zeitpunkt befindet, bei dem der Betrieb der Wasserstoffspeicherung beendet ist, ist es möglich, ein solches Kühlmittel durch die Brennstoffzelle durchzusetzen und die Erzeugung der elektrischen Leistung bei der Brennstoffzelle ohne Durchlaufen des Aufwärmbetriebs zu starten. Wenn insbesondere der Durchtritt des Kühlmittels durch die Brennstoffzelle bei dem Betrieb der Wasserstoffspeicherung ebenso aufrecht erhalten wird, ist es möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle im Wesentlichen gleich ihrer Temperatur in dem stationären Zustand auch zu dem Zeitpunkt zu halten, bei dem die Brennstoffzelle die Erzeugung von elektrischer Leistung angehalten hat. Es ist somit möglich, den Bedarf nach dem Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle zu beseitigen.
  • Bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann das Kühlmitteltemperatureinstellmodul ebenso ein Kühlmitteldurchflussrateneinstellmodul aufweisen, das die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal strömt, einstellt. Auf diesem Weg kann die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmeaustauschermodul ausgestoßen wird, auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau lediglich mit einem einfachen Betrieb der Einstellung der Durchflussrate des Kühlmittels gehalten werden.
  • Zusätzlich kann bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung das Wärmeaustauschermodul mit einem Lüfter zum Kühlen des Kühlmittels versehen sein; zudem kann das Kühlmitteltemperatureinstellmodul den Lüfter aufweisen.
  • Bei einem derartigen Aufbau ist es möglich, die Kühleffizienz der Wasserstoffspeicherlegierung zu dem Zeitpunkt, zu dem Wasserstoff in die Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert wird, zu verbessern und dadurch den Betrieb der Wasserstoffabsorption zu vereinfachen.
  • Alternativ kann bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung der Kühlmittelkanal einen ersten Kühlmittelkanal, der das Kühlmittel so einführt, dass das Kühlmittel durch den Wasserstoffspeichertank nach dem Hindurchtreten durch die Brennstoffzelle hindurchtritt, und einen zweiten Kühlmittelkanal aufweisen, der von dem ersten Kühlmittelkanal abweichend ist und das Kühlmittel so einführt, dass das Kühlmittel durch den Wasserstoffspeichertank ohne Hindurchtreten durch die Brennstoffzelle hindurchtritt, und das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren ein Durchflussratenverteilungssteuerungsmodul aufweisen, das eine Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den ersten Kühlmittelkanal strömt, und eine Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den zweiten Kühlmittelkanal strömt, steuert.
  • Bei einem derartigen Aufbau ist es möglich, den Einfluss der Durchflussrate des Kühlmittels, das die Brennstoffzelle herunterkühlt, zu verringert, und dadurch die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Wasserstoffspeichertank strömt, auch für einen Fall einzustellen, bei dem die Erzeugung der elektrischen Leistung bei der Brennstoffzelle und der Betrieb der Wasserstoffabsorption gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Des Weiteren kann bei dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzelle ebenso vorzugsweise als eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle konfiguriert sein.
  • Die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle hat eine besonders niedrige Betriebstemperatur von den Bauarten der Brennstoffzellen. Für diesen Fall kann das Kühlmittel, das von der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb ausgestoßen wird, eine niedrigere Temperatur haben, so dass der Flexibilitätsgrad hinsichtlich der Auswahl der Art der Wasserstoffspeicherlegierung erhöht werden kann, die in dem Wasserstoffspeichertank vorzusehen ist.
  • Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenartigen Gesichtspunkten ausführbar ist, die anders als die vorstehend beschriebenen sind, einschließlich einem mobilen Gegenstand, wie z. B. einem Fahrzeug, an dem das Brennstoffzellensystem montiert ist, einem Verfahren zum Speichern von Wasserstoff usw.
  • 1 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines ersten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die die Beziehung zwischen einem Gleichgewichtswasserstoffdruck und einer Temperatur bei verschiedenen Arten von Wasserstoffspeicherlegierungen zeigt;
  • 3 ist ein schematisches Diagramm, das die Art zeigt, mit der das Kühlmittel, das in einem Kühlmittelkanal zirkuliert, in einem Wärmetauscher heruntergekühlt wird;
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die die Temperaturabweichungen des Kühlmittels und der Luft darstellt;
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt;
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines dritten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 7 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines vierten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines fünften Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines sechsten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 10 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines siebten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 11 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines achten Ausführungsbeispiels darstellt;
  • 12 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems eines neunten Ausführungsbeispiels darstellt.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Gesamtsystemaufbau:
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die den allgemeinen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 darstellt, das ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. Das Brennstoffzellensystem 10 hat einen Wasserstoffspeichertank 20, eine Brennstoffzelle 30, einen Verdichter 40, einen Wärmetauscher, einen Kühlmittelkanal 70 und ein Steuerungsmodul 80. Bei diesem Brennstoffzellensystem 10 sind der Wasserstoffspeichertank 20, Brennstoffzelle 30 und der Wärmetauscher 50 durch den Kühlmittelkanal 70 verbunden.
  • Der Kühlmittelkanal 70 hat seine Anteile in dem Wasserstoffspeichertank 20, der Brennstoffzelle 30 und dem Wärmetauscher 50 und zirkuliert das Kühlmittel durch diese Teile. Der Kühlmittelkanal 70 ist mit einer Pumpe 62 versehen und diese Pumpe 62 ist angetrieben, um das Kühlmittel zu zirkulieren. Anders gesagt steht die Pumpe 62 unter der Steuerung des Steuerungsmoduls 80 und funktioniert als ein Kühlmitteldurchflussrateneinstellmodul, das eine Durchflussrate des durch den Kühlmittelkanal 70 strömenden Kühlmittels einstellt. Zusätzlich ist der Kühlmittelkanal 70 ebenso mit einem Temperatursensor 60 zum Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels versehen, das durch den Wärmetauscher 50 hindurchgetreten ist und von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird. Es ist jedoch anzumerken, dass das Kühlmittel, das zu verwenden ist, wünschenswerter Weise eine Flüssigkeit sein kann. Beispielsweise wird Wasser als das Kühlmittel in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet.
  • Ein Wasserstoffspeichertank 20 weist folgendes auf ein Gehäuse 21; eine Speicherlegierungseinfassung 22, die eine pulvrige Wasserstoffspeicherlegierung einschließt; und eine Stütze 24, die aus einem ringförmigen aufgeschäumten Metall besteht und die Speicherlegierungseinfassung 22 in dem Gehäuse 21 stützt. Der Wasserstoffspeichertank 20 hat ebenso einen Teil des Kühlmittelkanals 70 in sich, wie vorstehend beschrieben ist, so dass Wärme zwischen dem durch den Kühlmittelkanal 70 strömenden Kühlmittel und der Wasserstoffspeicherlegierung ausgetauscht werden kann. Zusätzlich hat die Speicherlegierungseinfassung 22 eine große Anzahl von Rippen 26, so dass die Effizienz der Wärmeübertragung zwischen der Wasserstoffspeicherlegierung und dem Kühlmittelkanal 70 weitergehend verbessert werden kann.
  • Die Brennstoffzelle 30 ist eine Protonenaustauschermembranbrennstoffzelle, der Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) zugeführt wird, und die eine elektromechanische Reaktion zum Erhalten einer elektromotorischen Kraft durchführt. Die Brennstoffzelle 30 hat einen Stapelaufbau, der durch laminieren einer Vielzahl von einzelnen Zellen ausgebildet wird. Die Brennstoffzelle 30 hat einen Teil des Kühlmittelkanals 70, der darin ausgebildet ist, um das Kühlmittel durch dieses hindurch zu führen, wie vorstehend beschrieben ist, so dass die Wärme zwischen dem durch den Kühlmittelkanal 70 strömenden Kühlmittel und der Brennstoffzelle 30 ausgetauscht werden kann. Der Anodenseite der Brennstoffzelle 30 wird Wasserstoff zugeführt, der in dem Wasserstoffspeicher 21 gespeichert ist. Der Kathodenseite der Brennstoffzelle 30 wird verdichtete Luft von dem Verdichter 40 zugeführt.
  • Der Wärmetauscher 50 ist ein Mechanismus zum Absenken der Temperatur des Kühlmittels, die sich im Verlauf der Durchströmung durch den Wasserstoffspeichertank 20 und die Brennstoffzelle 30 angehoben hat, und hat einen Teil des Kühlmittelkanals 70, der darin ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist. Der Wärmetauscher 50 hat einen Aufbau, der Außenluft hindurchlassen kann, und er ist als ein Wärmeaustauschermodul aufgebaut, das Wärme zwischen der durch den Wärmetauscher 50 hindurchtretenden Außenluft und dem in dem Kühlmittelkanal 70 strömenden Kühlmittel austauscht. Der Wärmetauscher 50 ist ebenso mit einem Kühllüfter 52 parallel dazu versehen, um dem durch den Kühlmittelkanal 70 strömenden Kühlmittel Wärme zu entziehen und das Kühlmittel stark herunter zu kühlen.
  • Das Steuerungsmodul 80 ist als ein logischer Schaltkreis konfiguriert, der hauptsächlich aus einem Mikrocomputer besteht, und ist mit einer CPU, einem ROM, einem RAM oder einem Eingabe-/Ausgabeanschluss zum Eingeben und Ausgeben von einer Verschiedenheit von Signalen ausgestattet. Das Steuerungsmodul 80 gibt Erfassungssignale von beispielsweise dem vorstehend beschriebenen Temperatursensor 64 bei dem Brennstoffzellensystem 10 ein und gibt Antriebssignale zu beispielsweise dem vorstehend beschriebenen Verdichter 40 oder der Pumpe 62 aus, wobei dadurch der Betriebsstatus des gesamten Brennstoffzellensystems 10 gesteuert wird.
  • Außerhalb von dem Brennstoffzellensystem 10 ist ein Wasserstoffzufuhrmodul 90 als Mechanismus zum Zuführen von Wasserstoff zu dem Wasserstoffspeichertank 20 angeordnet. Das Wasserstoffzufuhrmodul 90 und der Wasserstoffspeichertank 20 sind über den Hochdruckwasserstoffzufuhrkanal 82 verbunden. Der Druck des Wasserstoffgases, das von dem Wasserstoffzufuhrmodul 90 zuzuführen ist, ist ein Druck, der eine vorbestimmte Beziehung zu der Art der Wasserstoffspeicherlegierung in dem Wasserstoffspeichertank 20 oder zu der Betriebstemperatur der Wasserstoffzelle 30 hat (oder der Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb ausgestoßen wird), wie nachstehend beschrieben wird. Im Hinblick auf die Art der Wasserstoffspeicherlegierung oder die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 ist der Druck des Wasserstoffgases, das von dem Wasserstoffzufuhrmodul 90 zuzuführen ist, auf 25 bis 70 MPa oder vorzugsweise 35 bis 70 MPa beispielsweise eingerichtet.
  • Das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem 10 kann in verschiedenartigen Gesichtspunkten konfiguriert werden. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem 100 an einem Elektrofahrzeug montiert werden und kann die Brennstoffzelle 30 als eine Leistungsquelle zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Für diesen Fall kann eine getrennte Hochdruckwasserstoffzuführung an einer vorbestimmten Lage vorgesehen sein, so dass es als das Wasserstoffzufuhrmodul 90 funktioniert. Zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffladung in den Wasserstoffspeichertank 20 kann eine Berohrung, die an der Hochdruckwasserstoffzufuhr vorgesehen ist, als Hochdruckwasserdruckzufuhrkanal 82 mit einer Wasserstoffzufuhröffnung verbunden werden, die in Verbindung mit dem Wasserstoffspeichertank 20 steht und an der Oberfläche des Fahrzeuges offen ist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist nicht nur an einem mobilen Gegenstand wie z. B. einem Fahrzeug, als Leistungszufuhr zum Antreiben des Fahrzeugs montiert, sondern es kann ebenso als stationäre Leistungszufuhr verwendet werden, die eine elektrische Leistung zu einer vorbestimmten Einrichtung zuführt.
  • Betrieb der Wasserstoffspeicherung:
  • Zu dem Zeitpunkt, wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank 20 gespeichert wird, werden die Pumpe 62 und der Kühllüfter 52 aktiviert, um den Wasserstoffspeichertank 20 mit dem Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 70 herunterzukühlen, während Wasserstoff von dem Wasserstoffzufuhrmodul 90 in den Wasserstoffspeichertank 20 zugeführt wird.
  • Die Menge des in der Wasserstoffspeicherlegierung zu absorbierenden Wasserstoffs wird durch den Druck und die Temperatur des Wasserstoffs bestimmt. Im Allgemeinen ist ein Druck, wenn die Wasserstoffabsorption und die Wasserstoffabfuhr von der Wasserstoffspeicherlegierung bei einer vorbestimmten Temperatur ein Gleichgewicht werden, als ein Gleichgewichtwasserstoffdruck definiert und ist ein Gleichgewichtswasserstoffdruck bei der Absorption als ein Absorptionsdruck definiert. Eine Temperatur, bei der die Wasserstoffabsorption und die Wasserstoffabfuhr von der Wasserstoffspeicherlegierung ein Gleichgewicht bei einem vorbestimmten Wasserstoffdruck werden, ist als eine Gleichgewichtstemperatur in dieser Beschreibung definiert. Die Wasserstoffspeicherlegierung dieser Art hat einen einzigartigen Gleichgewichtswasserstoffdruck (der Druck des Wasserstoffs zu dem Zeitpunkt, bei dem die Absorption und die Abfuhr des Wasserstoffs im Gleichgewicht sind), die gemäß ihrer Temperatur variiert. Wenn der Wasserstoff bei einem vorbestimmten Druck gespeichert wird, erzeugt die Wasserstoffspeicherlegierung Wärme, wenn sie den Wasserstoff absorbiert, und steigt die Temperatur der Legierung weiter an, bis die Temperatur ein Niveau erreicht, bei dem der Gasdruck der Wasserstoffzufuhr gleich dem Gleichgewichtswasserstoffdruck wird. Zu dem Zeitpunkt, bei dem die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung das Niveau erreicht, bei dem der Gasdruck der Wasserstoffzufuhr gleich dem Gleichgewichtswasserstoffdruck wird, tritt es auf, dass der Betrieb der Wasserstoffabsorption in der Speicherlegierung angehalten wird. Wenn die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung einmal das Niveau erreicht, bei dem der Gasdruck der Wasserstoffzufuhr gleich dem Gleichgewichtswasserstoffdruck wird, wird die Wasserstoffspeicherlegierung in die Lage versetzt, weitergehend eine Menge Wasserstoffs zu speichern, die einer Menge der Wärme entspricht, die von der Wasserstoffspeicherlegierung zu entfernen ist.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die die Beziehung zwischen einem Gleichgewichtswasserstoffdruck und einer Temperatur bei verschiedenen Arten von Wasserstoffspeicherlegierungen zeigt. Unter der Annahme, dass P der Gleichgewichtswasserstoffdruck und T die Temperatur darstellt, ist es bekannt, dass lnP und 1/T eine lineare Beziehung für eine Wasserstoffabsorptionsreaktion bei einer Wasserstoffspeicherlegierung haben. Dem gemäß haben der Gleichgewichtswasserstoffdruck P und die Temperatur T die Beziehungen, die in 2 für die jeweiligen Wasserstoffspeicherlegierungen gezeigt sind. Es ist anzumerken, dass in 2 die Beziehung zwischen dem Gleichgewichtswasserstoffdruck und der Temperatur eigentlich nur für Gleichgewichtswasserstoffdrücke bis ungefähr 5MPa gemessen ist und die Beziehung, die aus der linearen Beziehung geschätzt wird, für Gleichgewichtswasserstoffdrücke gezeigt ist, die höher als 5MPa sind. Wie in 2 gezeigt ist, sind die Temperaturen entsprechend den Gleichgewichtswasserstoffdrücken von 35 MPa oder höher im wesentlichen 150° C oder höher für jede der Wasserstoffspeicherlegierungen. Dem gemäß ist es für einen Fall, bei dem eine Wasserstoffspeicherlegierung verwendet wird und Wasserstoff in die Wasserstoffspeicherlegierung mit einem Gasdruck von 35 MPa oder höher absorbiert wird, möglich, das Kühlmittel mit einer Temperatur von unterhalb 150° C zu verwenden, um den Betrieb der Wasserstoffabsorption zu vereinfachen.
  • Es ist anzumerken, dass bei einem Fall, bei dem eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle als die Brennstoffzelle verwendet wird, die Temperatur der Brennstoffzelle in dem stationären Betrieb im Allgemeinen auf 70 bis 100° C aufgrund der Eigenschaften des Feststoffpolymerelektrolyts eingerichtet ist. Der stationäre Betrieb der Brennstoffzelle stellt einen Zustand dar, bei dem die Innentemperatur der Brennstoffzelle ein vorbestimmtes Niveau erreicht, nachdem die Brennstoffzelle aktiviert ist und der Aufwärmvorgang beendet ist, und in dem die Brennstoffzelle eine gewünschte Spannung-Strom-Charakteristik zeigt. Da die Innentemperatur der Brennstoffzelle entsprechend dem stationären Betrieb im Voraus als ein Bereich einer Temperatur eingerichtet ist, wie vorstehend beschrieben ist, wird die Brennstoffzelle auf eine Art heruntergekühlt, um die Brennstoffzelle innerhalb des Bereichs der Temperatur zu halten. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Brennstoffzelle 30 so gesteuert, dass sie eine Innentemperatur von 80° C hat, wenn sie sich in dem Stationären Betrieb befindet.
  • Für den Fall, bei dem das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 30, dem Wasserstoffspeichertank 20 und den Wärmetauscher 50 wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zirkuliert wird, kann die Temperatur des Kühlmittels manchmal auf nahezu die Innentemperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Betrieb zu dem Zeitpunkt angehoben werden, wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank 20 zu speichern ist. Auch für einen solchen Fall kann durch Zuführen von Wasserstoff zu dem Wasserstoffspeichertank 20 bei einem Gasdruck von 35 MPa oder höher das Kühlmittel mit der angehobenen Temperatur zum Herunterkühlen des Wasserstoffspeichertanks 20 verwendet werden, und kann der Betrieb zum Vereinfachen der Wasserstoffabsorption unmittelbar gestartet werden. Auch für einen Fall, bei dem der Gasdruck der Wasserstoffzufuhr noch niedriger ist (nahezu 25 MPa oder nahezu ein 1 MPa beispielsweise) kann das Kühlmittel mit der angehobenen Temperatur noch verwendet werden, um den Wasserstoffspeichertank 20 in Abhängigkeit von der Art der ausgewählten Wasserstoffspeicherlegierung herunterzukühlen.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung die Pumpe 62 auf der Grundlage der Temperatur des Kühlmittels angetrieben, die durch den Temperatursensor 64 erfasst wird, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine im Wesentlichen konstante Temperatur haben kann (eine vorbestimmte Bezugstemperatur haben kann). Die vorbestimmte Bezugstemperatur ist niedriger als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Zustand eingerichtet. Wie nachstehend beschrieben wird, ist die Bezugstemperatur die gleiche wie die Temperatur, die als eine Basis der Temperatur des Kühlmittels verwendet wird, das von dem Wärmetauscher 50 zu dem Zeitpunkt ausgestoßen wird, bei dem das Kühlmittel verwendet wird, um die Brennstoffzelle 30 in dem stationären Betrieb herunterzukühlen. Insbesondere ist die Bezugstemperatur auf 70° C in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingerichtet.
  • Je kleiner zu dem Zeitpunkt, bei dem das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 50 heruntergekühlt wird, die Durchflussrate des Kühlmittels durch die Beschränkung der Antriebsrate der Pumpe 62 eingerichtet ist, um so ausreichender kann das Kühlmittel in dem Wärmetauscher 50 heruntergekühlt werden, und wird somit die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, um so niedriger. Je größer dagegen die Durchflussrate des Kühlmittels durch die Erhöhung der Antriebsrate der Pumpe 62 eingerichtet ist, um so höher wird die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird. Auf diesem Weg kann die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, durch Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels gesteuert werden, und wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Pumpe 62, die sich unter der Steuerung des Steuerungsmoduls 80 befindet, als ein Kühlmitteldurchflussrateneinstellmodul zum Einstellen der Temperatur des Kühlmittels verwendet, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird. Die Durchflussrate der Pumpe 62 wird so eingestellt, dass die Temperatur, die bei dem Temperatursensor 64 erfasst wird, gleich der Bezugstemperatur wird.
  • 3 ist eine schematische Ansicht, die die Art zeigt, auf die das Kühlmittel, das in dem Kühlmittelkanal 70 zirkuliert, in dem Wärmetauscher 50 heruntergekühlt wird; und 3(A) zeigt die Art, auf die Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank 20 gespeichert wird. 4 ist eine schematische Ansicht, die die Temperaturabweichungen des Kühlmittels und der Luft zeigt, wobei eine durchgezogene Linie (A) in 4 die Temperaturabweichung zeigt, die in dem Kühlmittel zu dem Zeitpunkt stattfindet, wenn Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank 20 gespeichert wird. Für die gestrichelte Linie (A) entspricht das sogenannte Wärmeerzeugungsmodul in 4 dem Wasserstoffspeichertank 20 (durch durchgezogene Linien in 3(A) angedeutet).
  • Da Wärme entwickelt wird, wenn Wasserstoff zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung absorbiert wird, hebt sich die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wasserstoffspeichertank 20 ausgestoßen wird, an, wenn die Wasserstoffspeicherung voranschreitet. 3(A) und die gestrichelte Linie in (A) in 4 stellen einen Fall dar, bei dem das Kühlmittel, das von dem Wasserstoffspeichertank 20 ausgestoßen wird, eine Temperatur von 120° C hat. Der Wärmetauscher 50 tauscht Wärme mit der Luft aus und die Pumpe 62 wird angetrieben, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine Temperatur von 70° C hat. 3(A) stellt einen Fall dar, bei dem die Außenluft eine Temperatur von 45° C beispielsweise hat. Die Temperatur der Luft, die durch den Wärmetauscher 50 tritt, hebt sich durch den Austausch der Wärme bei dem Wärmetauscher 50 an.
  • Je höher zu diesem Zeitpunkt die Temperatur des Kühlmittels ist, umso höher wird die Temperatur der Luft angehoben. Je weiter stromaufwärts in der Strömung des Kühlmittels die Luft Wärme austauscht, um so höher hebt sich folglich die Temperatur der Luft an und wird somit umso höher die Temperatur der Luft, die von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, wie in 3(A) gezeigt ist. In 4 sind die vorstehend beschriebenen Temperaturanstiege der Luft bei dem Wärmetauscher 50 als Bereich einer Temperatur gezeigt, der durch gestrichelte Linien (C) und (E) umgeben ist. Es ist anzumerken, dass jedoch 3(A) und 4 nur die Temperaturanstiege des Kühlmittels in dem Wasserstoffspeichertank 20 und die Temperaturabfälle des Kühlmittels in dem Wärmetauscher 50 zeigen, jedoch andere Vorgänge, wie z. B. die Abfuhr von Wärme in der Berohrung vernachlässigen.
  • Für den Fall, bei dem die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, nur durch die Durchflussrate des Kühlmittels gesteuert wird, wie vorstehend beschrieben ist, gelangt die Menge der Wärme, die gemeinsam mit der Wasserstoffabsorption erzeugt wird, und die Menge der Wärme, die von dem Wärmetauscher 50 abzugeben ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt in ein Gleichgewicht. Unter einem solchen Umstand beginnt durch die Abfuhr der Wärme bei einer konstanten Rate von dem Wärmetauscher 50 die Menge des Wasserstoffs, der in dem Wasserstoffspeichertank 20 absorbiert wird, sich mit einer konstanten Rate zu erhöhen, die mit der Menge der Wärmeabfuhr übereinstimmt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es durch Vorsehen des Kühllüfters 52 und durch starkes Erhöhen der Menge der Wärmeabfuhr in dem Wärmetauscher 50, wie in 1 gezeigt ist, möglich, die Rate der Wasserstoffabsorption weitergehend zu erhöhen, während die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird.
  • Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Betrieb der Wasserstoffspeicherung in den Wasserstoffspeichertank 20 ausgeführt wird, wie vorstehend beschrieben ist, wird eine vorbestimmte Menge Wasserstoff in die Wasserstoffspeicherlegierung absorbiert und wird ein Hochdruckwasserstoffgas in einen Raum geladen, der die Wasserstoffspeicherlegierung innerhalb des Wasserstoffspeichertanks 20 umgibt (im folgenden mit "der Laderaum" bezeichnet).
  • Betrieb der Wasserstoffabfuhr:
  • Es ist zu dem Zeitpunkt der Erzeugung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 30, das Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichertank 20 abgelassen wird. Demgemäß wird zu dem Zeitpunkt, bei dem Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichertank abgelassen wird, dem Wasserstoffspeichertank 20 das Kühlmittel zugeführt, das eine Temperatur entsprechend der Temperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Zustand hat (im Folgenden als die Stationärtemperatur bezeichnet, im Wesentlichen 80° C).
  • Zu dem Zeitpunkt, bei dem Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichertank 20 entnommen wird, in dem eine ausreichende Menge Wasserstoff gespeichert ist, wird der Hochdruckwasserstoff, der in dem vorstehend genannten Laderaum geladen ist, zunächst entnommen. Der Hochdruckwasserstoff, der von dem Wasserstoffspeichertank entnommen wird, hat einen ausreichend abgesenkten Druck, bevor er der Brennstoffzelle 30 zugeführt wird. Auf diesem Weg wird zu dem Zeitpunkt, zu dem Wasserstoff aus dem Laderaum entnommen wird, die Innentemperatur des Wasserstoffspeichertanks 20 auf einer Temperatur gehalten, die im Wesentlichen gleich der Temperatur des zuzuführenden Kühlmittels ist, insbesondere der Stationärtemperatur.
  • Wenn der Hochdruckwasserstoff von dem Laderaum des Wasserstoffspeichertanks 20 entnommen wird, fällt der Wasserstoffdruck in dem Laderaum allmählich. Da die Temperatur des Wasserstoffspeichertanks 20 im Wesentlichen gleich der Stationärtemperatur ist, beginnt dann, wenn der Wasserstoffdruck in dem Laderaum einmal den Gleichgewichtswasserstoffdruck der Stationärtemperatur erreicht hat, die Wasserstoffspeicherlegierung damit, Wasserstoff abzuführen. Da eine Reaktion der Wasserstoffabfuhr von der Wasserstoffspeicherlegierung eine endotherme Reaktion ist, wenn Wasserstoff abgeführt wird, fällt die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung ab und verringert sich der Gleichgewichtswasserstoffdruck, bis zum Schluss die Wasserstoffspeicherlegierung die Wasserstoffabfuhr stoppt. Jedoch wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Kühlmittel mit der stationären Temperatur kontinuierlich durch den Wasserstoffspeichertank 20 geführt und wird die Wärme, die in der Brennstoffzelle 30 erzeugt wird, kontinuierlich der Wasserstoffspeicherlegierung zur Verfügung gestellt, was gestattet, dass die Wasserstoffspeicherlegierung den Wasserstoff weiter abführt.
  • Zu dem Zeitpunkt, bei dem Wasserstoff abgeführt wird, wie vorstehend genannt ist, steuert die Pumpe 62 die Durchflussrate des Kühlmittels auf der Grundlage der Temperatur des Kühlmittels, die durch den Temperatursensor 64 erfasst wird, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, ein im Wesentlichen konstante Temperatur haben kann (eine Temperatur haben kann, die gleich der vorstehend erwähnten Bezugstemperatur für den Vorgang der Wasserstoffspeicherung ist). Anders gesagt ist die Temperatur des Kühlmittels auf die Bezugstemperatur, die niedriger als die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Betrieb ist, in dem Wärmetauscher 50 abgefallen; das Kühlmittel mit der abgefallenen Temperatur wird erneut in die Brennstoffzelle 30 eingeführt, um diese herunterzukühlen; das Kühlmittel hat eine Temperatur, die auf eine Temperatur angehoben wird, die der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 30 entspricht; das Kühlmittel mit der angehobenen Temperatur wird dem Wasserstoffspeichertank 20 zugeführt; und die Vorgänge werden erneut wiederholt.
  • 3(B) stellt die Art dar, mit der Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichertank 20 entnommen wird; und eine gestrichelte Linie B in 4 zeigt die Temperaturabweichungen in dem Kühlmittel, die zu dem Zeitpunkt stattfinden, wenn Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichertank 20 entnommen wird. Für die gestrichelte Linie (B) entspricht das sogenannte Wärmeerzeugungsmodul in 4 der Brennstoffzelle 30 (durch durchgezogene Linien in 3(B) angedeutet).
  • Zu dem Zeitpunkt, wenn Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeichertank 20 entnommen wird, hat das Kühlmittel, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, die vorstehend beschriebene Stationärtemperatur aufgrund der Entwicklung der Wärme, die gemeinsam mit der Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle 30 auftritt. 3(B) und die gestrichelte Linie (B) von 4 stellen einen Fall dar, bei dem das Kühlmittel, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, eine Temperatur von 80° C hat. Der Wärmetauscher 50 tauscht Wärme mit Luft aus und die Pumpe 62 wird so angetrieben, dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine Temperatur von 70° C hat, die die gleiche wie diejenige von dem Prozess der Wasserstoffspeicherung ist. 3(B) stellt einen Teil dar, bei dem die Außenluft eine Temperatur von 45° C als Beispiel hat. Je weiter stromaufwärts in der Strömung des Kühlmittels die Luft Wärme austauscht, wie in 3(B) gezeigt ist, umso höher steigt die Temperatur der Luft an und umso höher wird die Temperatur der Luft, die von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird. In 4 sind die vorstehend beschriebenen Temperaturanstiege der Luft in dem Wärmetauscher 50 als ein Bereich einer Temperatur gezeigt, der durch gestrichelte Linien (D) und (E) umgeben ist. Es ist jedoch anzumerken, dass sie nur Temperaturanstiege des Kühlmittels in der Brennstoffzelle 30 und die Temperaturabfälle des Kühlmittels in dem Wärmetauscher 50 zeigen, aber andere Vorgänge wie z. B. die Abfuhr von Wärme in der Berohrung vernachlässigen. Da zusätzlich die Wasserstoffspeicherlegierung Wärme absorbiert, wenn sie Wasserstoff ablässt, hat das Kühlmittel, das dem Wärmetauscher 50 über den Wasserstoffspeichertank 20 zugeführt wird, tatsächlich eine Temperatur, die geringfügig niedriger als 80° C oder die Stationärtemperatur ist.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 10, das wie vorstehend konfiguriert ist, kann das Kühlmittel zum Herunterkühlen der Brennstoffzelle 30 sowohl bei der Kühlung der Wasserstoffspeicherlegierung zum Zeitpunkt der Wasserstoffabsorption als auch bei der Erwärmung der Wasserstoffspeicherlegierung zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffentnahme verwendet werden. Anders gesagt ist es durch Auswählen der Art der Wasserstoffspeicherlegierung, des Drucks zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffzufuhr und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in einer Kombination, so dass die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der Wasserstoffdruck für die Wasserstoffzufuhr gleich dem Gleichgewichtswasserstoffdruck wird, höher als die Temperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Zustand sein kann, möglich, dass Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 30 und ebenso als Kühlmittel zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung zu verwenden. Auf diesem Weg ist es möglich, den Aufbau zum Erwärmen und zum Kühlen der Wasserstoffspeicherlegierung vereinfachen. Da zusätzlich die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der Druck des Wasserstoffs, der von dem Wasserstoffzufuhrmodul 90 zugeführt wird, gleich dem Gleichgewichtswasserstoffdruck wird, höher als die Temperatur der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Betrieb ist, ist es möglich, das Kühlmittel mit der angehobenen Stationärtemperatur zum Durchführen des Betriebs der Wasserstoffabsorption zu verwenden, unmittelbar nachdem die Erzeugung der elektrischen Energie bei der Brennstoffzelle 30 beendet ist. Alternativ ist es ebenso möglich, das Kühlmittel mit der angehobenen Stationärtemperatur zum Ausführen des Betriebs der Wasserstoffabsorption zu dem gleichen Zeitpunkt wie die Erzeugung der elektrischen Energie in der Brennstoffzelle 30 zu verwenden.
  • Da des Weiteren gemäß dem Brennstoffzellensystem 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, so gesteuert wird, dass es die gleiche Temperatur sowohl bei der Speicherung des Wasserstoffs als auch bei dem Ablassen des Wasserstoffs hat (zu dem Zeitpunkt, bei dem sich die Brennstoffzelle 30 in Betrieb befindet), ist es möglich, die Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle 30 zu beginnen, unmittelbar nachdem Wasserstoff in dem Wasserstoffspeichertank 20 gespeichert ist. Auf diesem Weg gibt es keinen Bedarf nach dem Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 30 zu dem Zeitpunkt, bei dem der Betrieb der Wasserstoffspeicherung gerade beendet ist. Es ist jedoch anzumerken, dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, nicht notwendiger Weise die gleiche Temperatur sowohl bei der Speicherung des Wasserstoffs als auch bei dem Ablassen des Wasserstoffs hat, und es ist noch möglich, ähnliche Wirkungen zu erhalten, solange das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung so gesteuert wird, dass es eine Temperatur hat, die ausreichend nah an der Stationärtemperatur ist.
  • Zusätzlich gibt es auch für den Fall, bei dem der Wärmetauscher 50 verwendet wird, um die Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen des Wasserstoffspeichertanks 20 zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung abzusenken und ebenso um die Temperatur des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle 30 abzusenken, wie es bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, immer noch keinen Bedarf, dass der Wärmetauscher 50 eine vergrößerte Abmessung hat. Das liegt daran, dass die Kühleffizienz bei dem Wärmetauscher 50 zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung höher als zu dem Zeitpunkt der Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle ist, obwohl die Wärmemenge, die von dem Wasserstoffspeichertank 20 abzuführen ist, zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung im Allgemeinen größer als diejenige ist, die von der Brennstoffzelle 30 in dem stationären Betrieb abzuführen ist. Unter der Annahme, dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, die gleiche Temperatur sowohl bei der Speicherung des Wasserstoffs als auch bei dem Ablassen des Wasserstoffs hat, kann das Kühlmittel, das dem Wärmetauscher 50 zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung zugeführt wird, eine höhere Temperatur haben und kann dessen Differenz zu der Außenlufttemperatur ebenso größer sein. Das ist der Grund, warum die Kühleffizienz bei dem Wärmetauscher 50 zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung verbessert wird.
  • Es ist ebenso möglich, eine zusätzliche Betriebsart vorzusehen, die weitergehend das Laden des Wasserstoffs vereinfacht, indem die Tatsache aufgegriffen wird, dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine niedrigere Temperatur zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffladung als zu dem Zeitpunkt der Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle hat (zu dem Zeitpunkt des Ablassens des Wasserstoffs), und durch Antreiben der Pumpe 62 und des Kühllüfters 52, so dass das Kühlmittel, das auszustoßen ist, eine viel niedrigere Temperatur haben kann.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es ebenso möglich, eine größere Menge von Hochdruckwasserstoff in den Laderaum dadurch zu speichern, dass der Gasdruck der Wasserstoffzufuhr zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffspeicherung innerhalb eines Bereichs von 25 MPa bis 70 MPa oder 35 MPa bis 70 MPa eingerichtet wird, wie vorstehend beschrieben. Es ist somit möglich, die Wasserstoffmenge, die pro Volumeneinheit in dem Wasserstoffspeichertank 20, gespeichert werden kann, zu vergrößern. Des Weiteren ist es für einen Fall, bei dem das Wasserstoffzufuhrmodul 90 Wasserstoff unter einem hohen Druck zuführt, wie vorstehend beschrieben ist, ebenso möglich, das Wasserstoffzufuhrmodul 90 als eine Wasserstoffzuführung zum Laden von Wasserstoff in einen Hochdruckwasserstoffbehälter zu verwenden, der keine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist und den Wasserstoff in der Form von Hochdruckwasserstoff speichert.
  • Andere Ausführungsbeispiele:
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 110 eines zweiten Ausführungsbeispiels darstellt. In jedem der Ausführungsbeispiele von den zweiten Ausführungsbeispiel usw. werden die Elemente, die dem ersten Ausführungsbeispiel gemeinsam sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht erneut genau beschrieben.
  • Das Brennstoffzellensystem 110 weist folgendes auf: einen Kühlmittelkanal 170, der ähnlich wie der Kühlmittelkanal 70 von 1 als erster Kühlmittelkanal aufgebaut ist; und einen Kühlmittelkanal 171, der abweichend von dem Kühlmittelkanal 170 angeordnet ist und die Brennstoffzelle 30 als zweiter Kühlmittelkanal umläuft. Das Brennstoffzellensystem 110 weist ebenso folgendes auf: eine Pumpe 162 zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 170 zirkuliert; und eine Pumpe 163 zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 171 strömt. Anders gesagt wirken die Pumpen 162, 163, die durch das Steuerungsmodul 80 angetrieben werden, als Durchflussratenverteilungssteuerungsmodule, von denen jedes die Durchflussrate des Kühlmittels steuert, das in jeden der Kühlmittelkanäle 170, 171 verteilt werden soll. Das Brennstoffzellensystem 110 hat ebenso einen Temperatursensor 164 in dem Kühlmittelkanal 170 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird, zusätzlich zu dem Temperatursensor 64.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 110, wie vorstehend beschrieben ist, kann die Temperatur des Kühlmittels, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, auf einem vorbestimmten Bezugsniveau wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch Antreiben der Pumpe 62 auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 64 gehalten werden. Es ist somit möglich, die gleichen Wirkungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiels dadurch zu erzielen, dass ein derartiger Betrieb sowohl bei dem Laden des Wasserstoffs als auch bei der Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle 30 erreicht wird. Es ist anzumerken, dass zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffladung die Pumpe 162 angehalten werden kann und es möglich ist, nur die Pumpe 163 zu verwenden, so dass das Kühlmittel nur zwischen dem Wasserstoffspeichertank 20 und dem Wärmetauscher 50 zirkuliert werden kann.
  • Des Weiteren kann für den Fall, bei dem die Ladung des Wasserstoffs und die Erzeugung der elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle 30 gleichzeitig durchgeführt werden, das Brennstoffzellensystem 110 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf die folgende Art betrieben werden: Die Pumpe 162 wird auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 164 angetrieben, so dass die Brennstoffzelle 30 eine Temperatur entsprechend dem Stationärbetrieb haben kann; und die Pumpe 163 wird auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 64 angetrieben, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine Temperatur des vorbestimmten Bezugsniveaus haben kann. Durch die Verwendung der zwei Pumpen auf diese Art wird es möglich, die Durchflussrate des Kühlmittels durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, in einem wünschenswerteren Zustand zu steuern.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 210 eines dritten Ausführungsbeispiels darstellt. Das Brennstoffzellensystem 210 weist folgendes auf: einen Kühlmittelkanal 270, in den das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, strömt; und Kühlmittelkanäle 271, 272, die von dem Kühlmittelkanal 270 abweichen. Der Kühlmittelkanal 271 ist so aufgebaut, dass er durch die Brennstoffzelle 30 hindurchtritt. Der Kühlmittelkanal 272 ist so aufgebaut, dass er durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, wobei sein Ende mit dem Wärmetauscher 50 verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem 210 weist des Weiteren einen Kühlmittelkanal 273 auf, der abweichend von dem Kühlmittelkanal 272 angeordnet ist und den Wasserstoffspeichertank 20 umläuft. Der Kühlmittelkanal 273 ist mit einem Ende des Kühlmittelkanals 271 verbunden. Auf diesem Weg gelangt das Kühlmittel, das durch die Brennstoffzelle 30 und/oder den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchgetreten ist, schließlich in den Kühlmittelkanal 272 und wird in den Wärmetauscher 50 über den Kühlmittelkanal 272 eingeführt. Der Kühlmittelkanal 270 ist mit einer Pumpe 262 versehen, die die gesamte Durchflussrate des Kühlmittels das durch die Kühlmittelkanäle 270 bis 273 strömt, steuert. Der Kühlmittelkanal 271 ist ebenso mit einem Temperatursensor 264 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels versehen, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird.
  • An einem Abweichungspunkt, bei dem der Kühlmittelkanal 271, 272 abweicht, ist ein Durchflussrateneinstellventil 266 vorgesehen, um eine Menge des Kühlmittels, das in jeden der Kühlmittelkanäle 271, 272 strömt, einzustellen. Zusätzlich ist an einem Verbindungspunkt, an dem das Endes des Kühlmittelkanals 271 sich mit dem Kühlmittelkanal 273 verbindet, ein Durchflussrateneinstellventil 267 vorgesehen, um die Durchflussrate des Kühlmittels, das in jede Richtung in Richtung auf jedes der zwei Enden der Kühlmittelkanäle 273 strömt, einzustellen. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, dass das Kühlmittel, das in dem Kühlmittelkanal 272 über das Durchflussratenventil 266 strömt, nur durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt. Dagegen ist es möglich, dass das Kühlmittel, das in den Kühlmittelkanal 271 über das Durchflussrateneinstellventil 266 strömt, durch die Brennstoffzelle 30 hindurchtritt und dann in den Wärmetauscher 50 eingeführt wird, wobei zumindest ein Teil der Strömung durch den Wasserstoffspeicher 20 hindurchtritt und der verbleibende Teil der Strömung nicht durch den Wasserstoffspeichertank 20 dazwischen gemäß dem Zustand des Durchflussrateneinstellventils 267 hindurchtritt.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzylinders 210 werden die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzylinder 30 strömt, und die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Wasserstoffspeichertank 20 strömt, durch die Pumpe 262 und die Durchflussrateneinstellventile 266, 267 eingestellt. Die Steuerung der Durchflussrate des Kühlmittels ist auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 264 durchgeführt, so dass die Brennstoffzelle 30 eine Innentemperatur haben kann, die dem Stationärbetrieb entspricht, und basiert ebenso auf Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 64, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine Temperatur des vorstehend beschriebenen Bezugniveaus hat.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 210 des dritten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispiel zu erhalten. Es ist anzumerken, dass zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffladung das Durchflussrateneinstellventil 266 verwendet werden kann, um zu unterbinden, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 271 strömt, und um zu verursachen, dass das Kühlmittel nur zwischen dem Wasserstoffspeichertank 20 und dem Wärmetauscher 50 zirkuliert. Es ist ebenso anzumerken, dass zu dem Zeitpunkt der Erzeugung der elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle 30 das Durchflussrateneinstellventil 266 ebenso verwendet werden kann, um zu unterbinden, dass das Kühlmittel in dem Kühlmittelkanal 272 strömt, und um zu verursachen, dass das Kühlmitte nur zwischen der Brennstoffzelle 30 und dem Wärmetauscher 50 strömt. Für diesen Fall kann Wasserstoff von dem Wasserstoffspeichertank 20 entnommen werden und für die Erzeugung für die elektrische Leistung zugeführt werden, ohne dass es notwendig ist, dass das Kühlmittel durch den Wasserstoffspeichertank 20 strömt und den Tank 20 stark kühlt, solange eine ausreichende Menge von Hochdruckwasserstoff in dem Laderaum in dem Wasserstoffspeichertank 20 gespeichert ist. Des Weiteren ist es für den Fall, bei dem die Ladung des Wasserstoffs und die Erzeugung der elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle 30 gleichzeitig durchgeführt werden, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eher als bei dem ersten Ausführungsbeispiel möglich, die Wirkung der Durchflussrate des Kühlmittels zum Kühlen der Brennstoffzelle 30 und zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels zum Kühlen des Wasserstoffspeichertanks 20 zu reduzieren.
  • 7 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 310 eines vierten Ausführungsbeispiels zeigt. Da das Brennstoffzellensystem 210 einen ähnlichen Aufbau wie das Brennstoffzellensystem 210 des dritten Ausführungsbeispiels hat, werden die gemeinsamen Elemente durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nur unterschiedliche Elemente genau beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 310 weist die Pumpe 262 und das Durchflussrateneinstellventil 266 des Brennstoffzellensystems 210 nicht auf, sondern es hat alternativ eine Pumpe 362 in dem Kühlmittelkanal 271 und eine Pumpe 363 in dem Kühlmittelkanal 272. Die Pumpe 362 steuert die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Kühlmittelkanal 271 strömt, wohingegen die Pumpe 363 die Durchflussrate des Kühlmittels steuert, das durch den Kühlmittelkanal 272 strömt.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystems 310 des vierten Ausführungsbeispiel ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in dem ersten Ausführungsbeispiel zu erhalten. Es ist anzumerken, dass zu dem Zeitpunkt der Wasserstoffladung die Pumpe 362 angehalten werden kann und auch nur die Pumpe 363 verwendet werden kann, so dass das Kühlmittel nur zwischen dem Wasserstoffspeichertank 20 und dem Wärmetauscher 50 zirkuliert werden kann. In dem Fall kann die Pumpe 362 auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 264 so angetrieben werden, dass die Brennstoffzelle 30 eine Innentemperatur haben kann, die dem Stationärbetrieb entspricht. Es ist anzumerken, dass zu dem Zeitpunkt der Erzeugung der elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle 30 die Pumpe 363 angehalten werden kann und auch nur die Pumpe 362 verwendet werden kann, so dass das Kühlmittel nur zwischen der Brennstoffzelle 30 und dem Wärmetauscher zirkuliert werden kann. Für diesen Fall kann die Pumpe 363 auf der Grundlage von Erfassungssignalen von dem Temperatursensor 264 angetrieben werden, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird, eine Temperatur des vorstehend beschriebenen Bezugsniveaus hat, und kann gleichzeitig das Durchflussrateneinstellventil 267 angetrieben werden, so dass das Kühlmittel den Wasserstoffspeichertank 20 umlaufen kann. Des Weiteren ist es für einen Fall, bei dem die Ladung des Wasserstoffs und die Erzeugung der elektrischen Leistung in der Brennstoffzelle 30 gleichzeitig durchgeführt werden, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle 30 strömt, und die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Wasserstoffspeichertank 20 strömt, unabhängig durch Steuern der Pumpen 263, 363 und des Durchflussrateneinstellventils 267 einzustellen.
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 410 eines fünften Ausführungsbeispiels darstellt. Das Brennstoffzellensystem 410 weist folgendes auf: einen Kühlmittelkanal 470, in den das Kühlmittel strömt, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird; und Kühlmittelkanäle 471, 472, die von dem Kühlmittelkanal 470 abweichen. Der Kühlmittelkanal 472 ist so aufgebaut, dass er durch den Wasserstofftank 20 hindurchtritt, wobei sein Ende mit dem Wärmetauscher 50 verbunden ist. Der Kühlmittelkanal 471 ist aufgebaut, so dass er durch die Brennstoffzelle 30 hindurchtritt, wobei sein Ende mit einem Teil des Kühlmittelkanals 472 verbunden ist, in dem das Kühlmittel strömt, das durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchgetreten ist. Das Wasserstoffzellensystem 410 weist des Weiteren einen Kühlmittelkanal 473, der das Kühlmittel, das durch die Brennstoffzelle 30 geströmt ist, über den Kühlmittelkanal 471 zu dem Kühlmittelkanal 472 einführt, an der stromaufwärtigen Seite von dem Wasserstoffspeichertank 20 auf. Gemäß einem derartigen Aufbau wird das Kühlmittel, das durch die Brennstoffzelle 30 und/oder den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchgetreten ist, schließlich in den Wärmetauscher 50 über den Kühlmittelkanal 472 eingeführt.
  • Der Kühlmittelkanal 471 ist mit einer Pumpe 462 zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels versehen, das durch die Brennstoffzelle 30 hindurchtritt. Der Kühlmittelkanal 472 ist mit einer Pumpe 473 zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels versehen, das von dem Kühlmittelkanal 470 in den Kühlmittelkanal 472 strömt. Der Kühlmittelkanal 473 ist mit einer Pumpe 465 zum Einstellen der Durchflussrate des Kühlmittels versehen, das durch den Kühlmittelkanal 473 strömt, insbesondere der Durchflussrate des Kühlmittels, das durch sowohl die Brennstoffzelle 30 als auch dem Wasserstoffspeichertank hindurchtritt. Der Kühlmittelkanal 471 ist ebenso mit einem Temperatursensor 464 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels versehen, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 410 des fünften Ausführungsbeispiels ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in dem vierten Ausführungsbeispiel bei der Steuerung des Kühlmittels zu erhalten, das durch die Brennstoffzelle 30 und dem Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt.
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 510 eines sechsten Ausführungsbeispiels darstellt. Das Brennstoffzellensystem 510 weist folgendes auf: einen Kühlmittelkanal 570, in den das Kühlmittel strömt, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird; und Kühlmittelkanäle 571, 572, die von dem Kühlmittelkanal 570 abweichen. Der Kühlmittelkanal 571 ist so aufgebaut, dass er durch die Brennstoffzelle 30 hindurchtritt. Der Kühlmittelkanal 572 tritt nicht durch die Brennstoffzelle 30 hindurch, sondern verbindet sich mit dem Kühlmittelkanal 571 an der stromabwärtigen Seite von der Brennstoffzelle 30, um einen Kühlmittelkanal 573 auszubilden. Der Kühlmittelkanal 573 weist an einer stromabwärtigen Seite ab, um Kühlmittekanäle 574, 575 auszubilden. Der Kühlmittelkanal 574 ist aufgebaut, so dass er durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt. Der Kühlmittelkanal 575 tritt nicht durch den Wasserstoffspeichertank 20 hindurch, sondern er verbindet sich mit dem Kühlmittelkanal 574 an der stromabwärtigen Seite von dem Wasserstoffspeichertank 20, um einen Kühlmittelkanal 576 auszubilden. Der Kühlmittelkanal 576 verbindet sich mit dem Wärmetauscher 50 und führt das Kühlmittel in den Wärmetauscher 50 ein.
  • Ein Durchflussrateneinstellventil 566 ist an einem Verbindungspunkt zwischen den Kühlmittelkanälen 571, 572 und dem Kühlmittelkanal 573 vorgesehen. Das Durchflussrateneinstellventil 566 kann die jeweiligen Durchflussraten des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle 30 läuft und das nicht durch die Brennstoffzelle 30 läuft, auf der Grundlage des Kühlmittels einstellen, das von dem Wärmetauscher 50 ausgestoßen wird. Ein Durchflussrateneinstellventil 567 ist ebenso an einem Verbindungspunkt zwischen dem Kühlmittelkanal 573 und den Kühlmittelkanälen 574, 575 vorgesehen. Das Durchflussrateneinstellventil 567 kann die Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den Wasserstoffspeichertank 20 läuft, und die Durchflussrate des Kühlmittels, das nicht durch den Wasserstoffspeichertank 20 läuft, einstellen. Des Weiteren ist ein Kühlmittelkanal 573 mit einer Pumpe 562 zum Einstellen der Durchflussrate des gesamten Kühlmittels versehen. Zusätzlich ist der Kühlmittelkanal 571 mit einem Temperatursensor 564 zum Erfassen der Temperatur des Kühlmittels versehen, das von der Brennstoffzelle 30 ausgestoßen wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystems 510 des sechsten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in den vierten und in den fünften Ausführungsbeispiel bei der Steuerung des Kühlmittels zu erhalten, das durch die Brennstoffzelle 30 und den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt.
  • 10 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 610 eines siebten Ausführungsbeispiels darstellt. Das Brennstoffzellensystem 610 hat einen ähnlichen Aufbau wie das Brennstoffzellensystem 10 des ersten Ausführungsbeispiel, außer dass es zwei Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b hat.
  • Das Brennstoffzellensystem 610 weist folgendes auf: einen Kühlmittelkanal 670, in den das Kühlmittel strömt, das von dem Wärmetauscher ausgestoßen wird, und Kühlmittelkanäle 671, 672, die von dem Kühlmittelkanal 670 abweichen. Der Kühlmittelkanal 671 ist so aufgebaut, dass er durch einen Wasserstoffspeichertank 20a hindurchtritt, wohingegen der Kühlmittelkanal 672 so aufgebaut ist, dass er durch den anderen Wasserstoffspeichertank 20b hindurchtritt. Die Kühlmittelkanäle 671, 672 treffen sich, um einen Kühlmittelkanal 673 auszubilden, der das Kühlmittel in den Wärmetauscher 50 einführt.
  • Der Kühlmittelkanal 671 ist mit einem Öffnungs-/Schließventil 678 versehen und der Kühlmittelkanal 672 ist mit einem Öffnungs-/Schließventil 669 versehen. Die Öffnung von jedem der Öffnungs-/Schließventile gestattet, dass das Kühlmittel durch seinen entsprechenden Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, wohingegen das Schließen von jedem der Öffnungs-/Schließventile die Strömung des Kühlmittels in ihrem entsprechenden Wasserstoffspeichertank 20 anhält. Demgemäß ist für einen Fall, bei dem nur einer von den Wasserstoffspeichertanks 20a oder 20b verwendet wird, möglich, die Öffnungs-/Schließventile zum Anhalten der Strömung des Kühlmittels in dem anderen Wasserstoffspeichertank 20b oder 20a einzustellen, der nicht verwendet wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 610 des siebten Ausführungsbeispiels, das wie vorstehend aufgebaut ist, ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in den ersten Ausführungsbeispiel bei der Steuerung des Kühlmittels zu erhalten, das durch die Brennstoffzelle 30 und dem Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, obwohl die zwei Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b vorgesehen sind. 11 ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 710 eines achten Ausführungsbeispiel darstellt. Das Brennstoffzellensystem 710 hat einen ähnlichen Aufbau wie das Brennstoffzellensystem 210 des dritten Ausführungsbeispiels, außer dass es zwei Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b hat. In 11 sind Elemente, die dem dritten Ausführungsbeispiel gemeinsam sind, durch die gleichen Bezugszeichen wie in dem dritten Ausführungsbeispiel bezeichnet. Zusätzlich sind die Strukturen, die für jeden der Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b vorgesehen sind, durch Bezugszeichen bezeichnet, bei denen die Symbole a, b an die Bezugszeichen für die entsprechenden Elemente in dem dritten Ausführungsbeispiel angefügt sind.
  • In dem Brennstoffzellensystem 710 weicht der Kühlmittelkanal 272, der von dem Kühlmittelkanal 272 abweicht, weitergehend ab, um Kühlmittelkanäle 272a, 272b auszubilden. Der Kühlmittelkanal 272a ist aufgebaut, so dass er durch den einen Wasserstoffspeichertank 272a hindurchtritt, wohingegen der Kühlmittelkanal 272b aufgebaut ist, so dass er durch den anderen Wasserstoffspeichertank 20b hindurchtritt. Das Brennstoffzellensystem 710 weist des Weiteren Kühlmittelkanäle 273a, 273b auf, die so aufgebaut sind, dass sie von den jeweiligen Kühlmittelkanälen 272a, 272b abweichen und die jeweiligen Wasserstoffspeichertanks umlaufen. Der Kühlmittelkanal 272 weicht von den Kühlmittelkanälen 271a, 271b an der stromabwärtigen Seite von der Brennstoffzelle 30 ab. Die Kühlmittelkanäle 271a, 271b verbinden sich jeweils mit den Kühlmittelkanälen 273a, 273b.
  • Die Kühlmittelkanäle 272a, 272b treffen sich, um einen Kühlmittelkanal 774 an der stromabwärtigen Seite in den jeweiligen Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b auszubilden, und um sich dadurch mit dem Wärmetauscher 50 zu verbinden. Ein Durchflussrateneinstellventil 768 ist an einem Zusammenflusspunkt vnrgesehen, an dem die Kühlmittelkanäle 272a, 272b sich treffen, um den Kühlmittelkanal 774 auszubilden. Durch Steuern des Durchflussrateneinstellventils 768 und durch Unterbinden, dass das Kühlmittel aus entweder dem Kühlmittelkanal 272a oder 272b in dem Kühlmittelkanal 774 strömt, ist es möglich, die Strömung des Kühlmittels in dem entsprechenden Wasserstoffspeichertank 20 anzuhalten. Demgemäß ist es für einen Fall, bei dem nur einer von dem Wasserstoffspeichertanks 20a oder 20b verwendet wird, möglich, das Durchflussrateneinstellventil 768 zum Anhalten der Strömung des Kühlmittels in dem anderen Wasserstoffspeichertank 20b oder 20a einzustellen, der nicht verwendet wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem gemäß dem achten Ausführungsbeispiels, das wie vorstehend aufgebaut ist, ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in dem dritten Ausführungsbeispiel bei der Steuerung des Kühlmittels zu erhalten, das durch die Brennstoffzelle 30 und den Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, obwohl die zwei Wasserstoffspeichertanks 20 vorgesehen sind.
  • 12 ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 810 eines neunten Ausführungsbeispiels darstellt. Das Brennstoffzellensystem 810 hat einen ähnlichen Aufbau wie das Brennstoffzellensystem 510 des sechsten Ausführungsbeispiels, außer dass es zwei Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b hat. In 12 werden die Elemente, die mit dem sechsten Ausführungsbeispiel gemeinsam sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie in dem sechsten Ausführungsbeispiel. Zusätzlich werden die Strukturen, die für jeden der zwei Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b vorgesehen sind, durch Bezugszeichen bezeichnet, bei denen die Symbole a, b an das Bezugszeichen für die entsprechenden Elemente in den sechsten Ausführungsbeispiel angefügt sind.
  • In dem Brennstoffzellensystem 810 weicht der Kühlmittelkanal 574, der von dem Kühlmittelkanal 573 abweicht, weitergehend ab, um die Kühlmittelkanäle 574a, 574b auszubilden. Der Kühlmittelkanal 574a ist so aufgebaut, dass er durch den einen Wasserstoffspeichertank 20a hindurchtritt, wohingegen der Kühlmittelkanal 574b aufgebaut ist, so dass er durch den anderen Wasserstoffspeichertank 20b hindurchtritt.
  • Die Kühlmittelkanäle 574a, 574b verbinden den Kühlmittelkanal 575, um den Kühlmittelkanal 576 an der stromabwärtigen Seite von den jeweiligen Wasserstoffspeichertanks 20a, 20b auszubilden, und um dadurch den Wärmetauscher 50 zu verbinden. Der Kühlmittelkanal 574a ist mit einem Öffnungs-/Schließventil 868 versehen und der Kühlmittelkanal 574b ist mit einem Öffnungs-/Schließventil 869 versehen. Die Öffnung von jedem von den Öffnungs-/Schließventilen gestattet, dass das Kühlmittel durch seinen entsprechenden Wasserstoffspeichertank 20 hindurchtritt, wohingegen das Schließen von jedem von dem Öffnungs-/Schließventilen die Strömung des Kühlmittels in seinem entsprechenden Wasserstoffspeichertank 20 anhält. Demgemäß ist es für einen Fall, bei dem nur einer von den Wasserstofftanks 20a oder 20b verwendet wird, möglich, die Öffnungs-/Schließventile 868, 869 zum Anhalten der Strömung des Kühlmittels in dem anderen Wasserstofftank 20b oder 20a einzustellen, der nicht verwendet wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem 810 des neunten Ausführungsbeispiels, das wie vorstehend aufgebaut ist, ist es möglich, die ähnlichen Betriebe und Wirkungen wie diejenigen in dem sechsten Ausführungsbeispiel bei der Steuerung des Kühlmittels zu erhalten, das durch die Brennstoffzelle 30 und den Wasserstofftank 20 hindurchtritt, obwohl eine Vielzahl von Wasserstoffspeichertanks 20 vorgesehen ist.
  • Obwohl die zwei Wasserstofftanks 20a, 20b in dem siebten bis zu dem neunten Ausführungsbeispiel zur Vereinfachung der Erklärung vorgesehen sind, können drei oder mehr Wasserstoffspeichertanks ebenso vorgesehen sein. Für diesen Fall kann die Anzahl der abweichenden Kühlmittelkanäle gemäß der Anzahl der Wasserstoffspeichertanks 20 so erhöht werden, dass das Kühlmittel durch jeden der Wasserstoffspeichertanks 20 hindurchtreten kann, und kann ein Ventil ebenso für jeden der Kühlmittelkanäle vorgesehen sein, wenn dies notwendig ist. Anders gesagt kann die Anzahl bei der Konfiguration, die durch gestrichelte Linien in jeder von den 10 bis 12 umgeben ist, gemäß der Anzahl der Wasserstofftanks erhöht werden, die vorzusehen sind.
  • Abwandlungen:
  • Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele oder ihre Anwendungen beschränkt ist, sondern sie kann ebenso auf in verschiedenartigen Gesichtspunkten ohne Abweichen von den Grundgedanken oder dem Anwendungsbereich der Hauptkarakterstik der Erfindung ausgeführt werden. Beispielsweise sind die folgenden Abwandlungen ebenso möglich.
  • Abwandlung 1:
  • Obwohl eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle als die Brennstoffzelle 30 in jedem von dem ersten bis zu dem neunten Ausführungsbeispiel verwendet wird, werden andere Arten von Brennstoffzellen ebenso verwendet. Beispielsweise kann eine Phosphorsäurebrennstoffzelle oder eine Alkalielektrolytbrennstoffzelle ebenso verwendet werden. Jede Art von Brennstoffzelle ist anwendbar, so lange sie das Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle verwendet, und alles, was erforderlich ist, ist die Auswahl der Art der Wasserstoffspeicherlegierung in dem Wasserstoffspeichertank und die Einrichtung des Drucks des Wasserstoffs, der von dem Wasserstoffzufuhrmodul zugeführt wird, gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle, die zu verwenden ist. Die Brennstoffzelle kann so aufgebaut sein, dass die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der Druck des Wasserstoffs, der von dem Wasserstoffzufuhrmodul zugeführt wird, gleich einem Gleichgewichtdruck wird, höher als die Temperatur der Brennstoffzelle in dem Stationärbetrieb ist.
  • Da die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle eine besonders niedrige Temperatur in dem Stationärbetrieb im Vergleich mit anderen Brennstoffzellen hat, kann der Flexibilitätsgrad beim Auswählen der Art der Wasserstoffspeicherlegierung erhöht werden. Zusätzlich kann für einen Fall, bei dem die Brennstoffzelle mit einer niedrigen Betriebstemperatur verwendet wird, wie zum Beispiel die Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle Wasser als Kühlmittel verwendet werden.
  • Abwandlung 2:
  • Obwohl der Wasserstoffspeichertank in dem ersten bis zu dem neunten Ausführungsbeispiel, wie vorstehend beschrieben ist, eine Wasserstoffspeicherlegierung als Wasserstoffabsorptionsmaterial zum Speichern und Ablassen von Wasserstoff aufweist, kann der Wasserstoffspeichertank ebenso ein anderes Material, das in der Lage ist, Wasserstoff zu absorbieren (zu adsorbieren), zusätzlich zu der Wasserstoffspeicherlegierung aufweisen: Beispielsweise kann der Wasserstoffspeichertank des Weiteren Aktivkohle oder Karbonmikrorohre als Wasserstoffabsorptionsmaterial aufweisen.
  • Somit ist bei dem Brennstoffzellensystem 10 der Kühlmittelkanal 70, in dem das Kühlmittel zirkuliert, so aufgebaut, dass Wärme zwischen dem Kühlmittel und jedem von einer Brennstoffzelle 30, einem Wasserstoffspeichertank 20 mit einer Wasserstoffspeicherlegierung und einem Wärmetauscher 50 ausgetauscht wird. Die Wasserstoffspeicherlegierung hat eine höhere Absorptionstemperatur, bei der eine Absorption und eine Abfuhr im Gleichgewicht bei einem vorbestimmten Wasserstoffdruck stehen, als die Temperatur der Brennstoffzelle 30 in einem Betrieb des stationären Zustands. Das Kühlmittel trägt nach dem Kühlen der Brennstoffzelle die Wärme, die durch die Wasserstoffabsorption erzeugt wird, zu der Wasserstoffspeicherlegierung während des Speicherns von dem Tank 20 und vereinfacht die Absorption des Wasserstoffs.

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Wasserstoffspeichertank, dem Wasserstoff unter einem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird und der ein Wasserstoff absorbierendes Material enthält, das zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung aufweist, wobei die Temperatur der Wasserstoffspeicherlegierung, bei der der vorbestimmte Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck wird, höher als eine Temperatur der Brennstoffzelle in einem Stationärbetrieb ist; einem Kühlmittelkanal, über den ein Kühlmittel zwischen der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffspeichertank zirkuliert; und einem Wärmeaustauschermodul im Kühlmittelkanal, das das Kühlmittel herunterkühlt, das durch die Brennstoffzelle und/oder den Wasserstoffspeichertank hindurchtritt.
  2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkanal oder ein Teil des Kühlmittelkanals so aufgebaut ist, dass das Kühlmittel durch die Brennstoffzelle, den Wasserstoffspeichertank und das Wärmeaustauschermodul in dieser Reihenfolge zirkuliert.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei die Temperatur, bei der der vorbestimmte Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck wird, eine Gleichgewichtstemperatur ist, bei der eine Wasserstoffabsorption und eine Wasserstoffabfuhr der Wasserstoffspeicherlegierung im Gleichgewicht mit dem Wasserstoff stehen, der mit dem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird.
  4. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 des Weiteren mit: einem Kühlmitteltemperatureinstellmodul, das eine Temperatur des Kühlmittels einstellt, so dass das Kühlmittel, das von dem Wärmeaustauschermodul ausgestoßen wird, eine im Wesentlichen konstante Temperatur haben kann ungeachtet eines Betrags einer Erzeugung von elektrischer Leistung in der Brennstoffzelle und ungeachtet der Tatsache, ob sich der Wasserstoffspeichertank in einem Zustand der Wasserstoffspeicherung oder der Wasserstoffabfuhr befindet.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, wobei das Kühlmitteltemperatureinstellmodul ein Kühlmitteldurchflussrateneinstellmodul aufweist, das eine Durchflussrate des Kühlmittels einstellt, das durch den Kühlmittelkanal strömt.
  6. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5, wobei das Wärmeaustauschermodul einen Lüfter zum Kühlen des Kühlmittels hat; und wobei das Kühlmitteltemperatureinstellmodul den Lüfter aufweist.
  7. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, wobei der Kühlmittelkanal folgendes aufweist: einen ersten Kühlmittelkanal, der das Kühlmittel so einführt, dass das Kühlmittel durch den Wasserstoffspeichertank nach dem Hindurchtreten durch die Brennstoffzelle hindurchtritt; und einen zweiten Kühlmittelkanal, der von dem ersten Kühlmittelkanal abweicht und das Kühlmittel so einführt, dass das Kühlmittel durch den Wasserstoffspeichertank ohne Hindurchtreten durch die Brennstoffzelle hindurchtritt, wobei das Brennstoffzellensystem des Weiteren ein Durchflussratenverteilungssteuerungsmodul aufweist, das eine Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den ersten Kühlmittelkanal hindurchtritt, und eine Durchflussrate des Kühlmittels, das durch den zweiten Kühlmittelkanal hindurchtritt, steuert.
  8. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembranbrennstoffzelle aufweist.
  9. Verfahren zum Speichern von Wasserstoff in einem Wasserstoffspeichertank mit einem Wasserstoff absorbierenden Material, das zumindest eine Wasserstoffspeicherlegierung enthält, mit den folgenden Schritten: Zuführen von Wasserstoff zu dem Wasserstoffspeichertank mit einem vorbestimmten Wasserstoffdruck, so dass eine Temperatur des Wasserstoff absorbierenden Materials dann, wenn der Wasserstoffdruck ein Gleichgewichtsdruck in dem Wasserstoffspeichertank ist, höher als eine Temperatur der Brennstoffzelle in einem stationären Betrieb ist; Gleichzeitig mit der Wasserstoffzufuhr, Zirkulieren von Kühlmittel in einem Kühlmittelkanal, der so aufgebaut ist, dass er durch die Brennstoffzelle und den Wasserstoffspeichertank hindurchtreten kann; und Kühlen des Kühlmittels, das durch die Brennstoffzelle und/oder den Wasserstofftank hindurchgetreten ist, durch ein Wärmeaustauschermodul, das Wärme mit dem Kühlmittel austauscht.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Temperatur des Wasserstoff absorbierenden Materials, dann, wenn der Wasserstoffdruck der Gleichgewichtsdruck ist, eine Gleichgewichtstemperatur ist, bei der die Wasserstoffabsorption und die Wasserstoffabfuhr der Wasserstoffspeicherlegierung im Gleichgewicht mit dem Wasserstoff stehen, der mit dem vorbestimmten Wasserstoffdruck zugeführt wird.
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